Η νέα θεωρία που εξηγεί τον κόσμο μας απλούστερα και ίσως πιο λογικά

Ζούμε σε μια μοναδική εποχή γνώσης για το Σύμπαν. Τα ισχυρότερα τηλεσκόπια μας έχουν αποκαλύψει ότι το Σύμπαν είναι εκπληκτικά απλό στις μεγαλύτερες ορατές κλίμακες. Παρομοίως, το ισχυρότερο «μικροσκόπιό» μας, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider – LHC), δεν έχει βρει αποκλίσεις από τη γνωστή Φυσική στις πιο μικρές κλίμακες.

Τα ευρήματα αυτά δεν ήταν αυτό που περίμεναν οι περισσότεροι θεωρητικοί. Σήμερα, η κυρίαρχη θεωρητική προσέγγιση συνδυάζει τη θεωρία των χορδών, ένα ισχυρό μαθηματικό πλαίσιο χωρίς επιτυχείς φυσικές προβλέψεις ακόμη, και τον «κοσμικό πληθωρισμό» – την ιδέα ότι, σε ένα πολύ πρώιμο στάδιο, το Σύμπαν διογκώθηκε υπερβολικά απότομα σε μέγεθος. Συνδυαστικά, η θεωρία των χορδών και ο πληθωρισμός προβλέπουν ότι το Σύμπαν είναι απίστευτα πολύπλοκο σε μικροσκοπικές κλίμακες και εντελώς χαοτικό σε πολύ μεγάλες κλίμακες.

Η φύση της αναμενόμενης πολυπλοκότητας θα μπορούσε να πάρει μια συγκεχυμένη ποικιλία μορφών. Σε αυτή τη βάση, και παρά την απουσία παρατηρησιακών στοιχείων, πολλοί θεωρητικοί προωθούν την ιδέα ενός «πολυσύμπαντος»: ενός ανεξέλεγκτου και απρόβλεπτου κόσμου που αποτελείται από πολλά σύμπαντα, το καθένα με εντελώς διαφορετικές φυσικές ιδιότητες και νόμους.

Μέχρι στιγμής, οι παρατηρήσεις δείχνουν ακριβώς το αντίθετο. Τι πρέπει να καταλάβουμε από αυτή την ασυμφωνία; Μια πιθανότητα είναι ότι η φαινομενική απλότητα του Σύμπαντος είναι απλώς ένα ατύχημα του περιορισμένου εύρους των κλιμάκων που μπορούμε να διερευνήσουμε σήμερα, και ότι όταν οι παρατηρήσεις και τα πειράματα φθάσουν σε αρκετά μικρές ή αρκετά μεγάλες κλίμακες, θα αποκαλυφθεί η υποστηριζόμενη πολυπλοκότητα.

Η άλλη πιθανότητα είναι ότι το Σύμπαν είναι πραγματικά πολύ απλό και προβλέψιμο τόσο στη μεγαλύτερη όσο και στη μικρότερη κλίμακα. Αν είναι αλήθεια, μπορεί να είμαστε πιο κοντά απ’ ό,τι φανταζόμασταν στην κατανόηση των πιο βασικών γρίφων του Σύμπαντος και μερικές από τις απαντήσεις μπορεί ήδη να βρίσκονται μπροστά μας.

Σύμφωνα με τη Θεωρία των Χορδών, τα βασικά δομικά στοιχεία του Σύμπαντος είναι μικροσκοπικοί, δονούμενοι βρόχοι και κομμάτια υποατομικών χορδών. Όπως γίνεται αντιληπτό σήμερα, η θεωρία λειτουργεί μόνο αν υπάρχουν περισσότερες διαστάσεις του χώρου από τις τρεις που βιώνουμε. Έτσι, οι θεωρητικοί των χορδών υποθέτουν ότι ο λόγος που δεν τα ανιχνεύουμε είναι ότι είναι μικροσκοπικά και συσπειρωμένα.

Δυστυχώς, αυτό καθιστά τη θεωρία χορδών δύσκολη να ελεγχθεί, καθώς υπάρχει ένας σχεδόν αδιανόητος αριθμός τρόπων με τους οποίους οι μικρές διαστάσεις μπορούν να καμπυλωθούν, με τον καθένα να δίνει ένα διαφορετικό σύνολο φυσικών νόμων στις υπόλοιπες, μεγάλες διαστάσεις.

Εν τω μεταξύ, ο κοσμικός πληθωρισμός είναι ένα σενάριο που προτάθηκε τη δεκαετία του 1980 για να εξηγήσει γιατί το Σύμπαν είναι τόσο ομαλό και επίπεδο στις μεγαλύτερες κλίμακες που μπορούμε να το παρατηρήσουμε. Η ιδέα είναι ότι το νηπιακό Σύμπαν ήταν μικρό και ανώμαλο, αλλά μια ακραία έκρηξη εξαιρετικά γρήγορης διαστολής το διόγκωσε κατά πολύ σε μέγεθος, εξομαλύνοντας το και ισοπεδώνοντάς το ώστε να είναι σύμφωνο με αυτό που βλέπουμε σήμερα.

Ο πληθωρισμός είναι επίσης δημοφιλής επειδή ενδεχομένως εξηγεί γιατί η πυκνότητα ενέργειας στο πρώιμο Σύμπαν διέφερε ελαφρώς από τόπο σε τόπο. Αυτό είναι σημαντικό επειδή οι πυκνότερες περιοχές θα είχαν αργότερα καταρρεύσει υπό τη δική τους βαρύτητα, τροφοδοτώντας το σχηματισμό των γαλαξιών.

Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, οι μεταβολές της πυκνότητας έχουν μετρηθεί με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια τόσο με τη χαρτογράφηση του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (της ακτινοβολίας από το Big Bang) όσο και με τη χαρτογράφηση της τρισδιάστατης κατανομής των γαλαξιών.

Στα περισσότερα μοντέλα πληθωρισμού, η πρώιμη βίαια έκρηξη διαστολής που εξομάλυνε και ισοπέδωσε το Σύμπαν δημιούργησε επίσης βαρυτικά κύματα μεγάλου μήκους κύματος, δηλαδή κυματισμούς στον ιστό του χωροχρόνου. Τέτοια κύματα, αν παρατηρούνταν, θα αποτελούσαν ένα σημάδι «καπνισμένης κάννης» που θα επιβεβαίωνε ότι ο πληθωρισμός έλαβε πράγματι χώρα. Ωστόσο, μέχρι στιγμής οι παρατηρήσεις δεν έχουν ανιχνεύσει κανένα τέτοιο σήμα. Αντίθετα, καθώς τα πειράματα βελτιώνονται συνεχώς, όλο και περισσότερα μοντέλα πληθωρισμού αποκλείονται.

Επιπλέον, κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, διαφορετικές περιοχές του Διαστήματος μπορούν να βιώσουν πολύ διαφορετικά ποσά διαστολής. Σε πολύ μεγάλες κλίμακες, αυτό δημιουργεί ένα πολυσύμπαν από μεταπληθωριστικά σύμπαντα, το καθένα με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες.

Το σενάριο του πληθωρισμού βασίζεται σε υποθέσεις σχετικά με τις μορφές ενέργειας που υπάρχουν και τις αρχικές συνθήκες. Ενώ οι υποθέσεις αυτές λύνουν ορισμένους γρίφους, δημιουργούν άλλους. Οι θεωρητικοί των χορδών και του πληθωρισμού ελπίζουν ότι κάπου στο τεράστιο πληθωριστικό πολυσύμπαν υπάρχει μια περιοχή του χώρου και του χρόνου με τις κατάλληλες ακριβώς ιδιότητες που ταιριάζουν με το Σύμπαν που βλέπουμε.

Ωστόσο, ακόμη και αν αυτό είναι αλήθεια (και δεν έχει βρεθεί ακόμη ούτε ένα τέτοιο μοντέλο), μια δίκαιη σύγκριση των θεωριών θα πρέπει να περιλαμβάνει έναν «παράγοντα Occam», που «τιμωρεί» τις θεωρίες με πολλές παραμέτρους και δυνατότητες έναντι των απλούστερων και πιο προβλέψιμων. Η αγνόηση του παράγοντα Occam ισοδυναμεί με την παραδοχή ότι δεν υπάρχει εναλλακτική λύση στην πολύπλοκη, μη προβλέψιμη υπόθεση.

Τις τελευταίες δεκαετίες, υπήρξαν πολλές ευκαιρίες για πειράματα και παρατηρήσεις που αποκάλυψαν συγκεκριμένα σήματα της θεωρίας των χορδών ή του πληθωρισμού. Αλλά κανένα δεν έχει παρατηρηθεί. Κάθε φορά, οι παρατηρήσεις αποδεικνύονται απλούστερες και πιο ελάχιστες από ό,τι αναμενόταν. Ίσως είναι καιρός, λοιπόν, να αρχίσουμε να ψάχνουμε σοβαρά για καλύτερες εναλλακτικές λύσεις.

Το κατοπτρικό Σύμπαν

Εδώ έρχεται να προτείνει κάτι απλούστερο ο Neil Turok, ο οποίος κατέχει την έδρα Higgs της Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργο, μαζί με τους συναδέλφους – ερευνητές. Πρόσφατα και σε συνεργασία με τον Latham Boyle, επιχείρησαν να οικοδομήσουν μια νέα θεωρία που θα καταργήσει τον κοσμικό πληθωρισμό και τη Θεωρία των Χορδών. 

Η αρχή έγινε με την αντιμετώπιση ενός εκ των μεγαλύτερων παραδόξων της Κοσμολογίας. Αν ακολουθήσουμε το διαστελλόμενο Σύμπαν προς τα πίσω στο χρόνο, χρησιμοποιώντας τη θεωρία της βαρύτητας του Einstein και τους γνωστούς νόμους της Φυσικής, ο χώρος συρρικνώνεται σε ένα μόνο σημείο, την «αρχική μοναδικότητα».

Προσπαθώντας να κατανοήσουν αυτή την απείρως πυκνή, θερμή αρχή, οι θεωρητικοί, μεταξύ των οποίων και ο βραβευμένος με Νόμπελ Roger Penrose, επισήμαναν μια βαθιά συμμετρία στους βασικούς νόμους που διέπουν το φως και τα σωματίδια χωρίς μάζα. Αυτή η συμμετρία, που ονομάζεται «σύμμορφη» συμμετρία, σημαίνει ότι ούτε το φως ούτε τα σωματίδια χωρίς μάζα βιώνουν στην πραγματικότητα τη συρρίκνωση του χώρου κατά το Big Bang.

Αξιοποιώντας αυτή τη συμμετρία, μπορεί κανείς να ακολουθήσει το φως και τα σωματίδια μέχρι την αρχή. Με αυτόν τον τρόπο, οι Turok και Boyle διαπίστωσαν ότι μπορούμε να περιγράψουμε την αρχική ιδιομορφία ως «καθρέφτη»: ένα ανακλαστικό όριο στο χρόνο, με το χρόνο να κινείται προς τα εμπρός από τη μία πλευρά και προς τα πίσω από την άλλη.

Η απεικόνιση του Big Bang ως καθρέφτη εξηγεί εύστοχα πολλά χαρακτηριστικά του Σύμπαντος, τα οποία διαφορετικά θα μπορούσαν να φανούν να έρχονται σε σύγκρουση με τους πιο βασικούς νόμους της Φυσικής. Για παράδειγμα, για κάθε φυσική διαδικασία, η κβαντική θεωρία επιτρέπει μια διαδικασία «καθρέφτη» στην οποία ο χώρος αντιστρέφεται, ο χρόνος αντιστρέφεται και κάθε σωματίδιο αντικαθίσταται από το αντισωματίδιό του (ένα σωματίδιο παρόμοιο με αυτό από όλες σχεδόν τις απόψεις, αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο).

Σύμφωνα με αυτή την ισχυρή συμμετρία, που ονομάζεται συμμετρία CPT, η «κατοπτρική» διαδικασία θα πρέπει να συμβαίνει με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό με την αρχική. Ένας από τους βασικότερους γρίφους σχετικά με το Σύμπαν είναι ότι φαίνεται να παραβιάζει τη συμμετρία CPT επειδή ο χρόνος τρέχει πάντα προς τα εμπρός και υπάρχουν περισσότερα σωματίδια από αντισωματίδια.

Η υπόθεση του καθρέφτη αποκαθιστά τη συμμετρία του Σύμπαντος. Όταν κοιτάζεστε σε έναν καθρέφτη, βλέπετε το είδωλό σας πίσω από αυτόν: αν είστε αριστερόχειρας, το είδωλο είναι δεξιόχειρας και αντίστροφα. Ο συνδυασμός εσάς και του καθρεφτιστικού σας είδωλου είναι πιο συμμετρικός από ό,τι είστε μόνοι σας.

Παρομοίως, όταν οι δύο ερευνητές επέκτειναν το Σύμπαν μας προς τα πίσω μέσω του Big Bang, βρήκαν το είδωλό του, ένα Σύμπαν πριν από το Big Bang, στο οποίο (σε σχέση με εμάς) ο χρόνος τρέχει προς τα πίσω και τα αντισωματίδια είναι περισσότερα από τα σωματίδια. Για να είναι αληθινή αυτή η εικόνα, δεν χρειάζεται το κατοπτρικό Σύμπαν να είναι πραγματικό με την κλασική έννοια του όρου (όπως ακριβώς η εικόνα σας σε έναν καθρέφτη δεν είναι πραγματική). Η κβαντική θεωρία, η οποία κυβερνά τον μικρόκοσμο των ατόμων και των σωματιδίων, αμφισβητεί τη διαίσθησή τους, οπότε σε αυτό το σημείο το καλύτερο που μπορούμε να κάνουμε είναι να σκεφτούμε το κατοπτρικό Σύμπαν ως μια μαθηματική συσκευή που εξασφαλίζει ότι η αρχική συνθήκη για το Σύμπαν δεν παραβιάζει τη συμμετρία CPT.

Παραδόξως, αυτή η νέα εικόνα παρείχε ένα σημαντικό στοιχείο για τη φύση της άγνωστης κοσμικής ουσίας που ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Τα νετρίνα είναι πολύ ελαφριά, φανταστικά σωματίδια τα οποία, τυπικά, κινούνται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός και τα οποία περιστρέφονται καθώς κινούνται, σαν μικροσκοπικές κορυφές. Αν στρέψετε τον αντίχειρα του αριστερού σας χεριού προς την κατεύθυνση που κινείται το νετρίνο, τότε τα τέσσερα δάχτυλά σας υποδεικνύουν την κατεύθυνση προς την οποία περιστρέφεται. Τα παρατηρούμενα, ελαφριά νετρίνα ονομάζονται «αριστερόστροφα» νετρίνα.

Τα βαριά «δεξιόστροφα» νετρίνα δεν έχουν ποτέ παρατηρηθεί άμεσα, αλλά η ύπαρξή τους έχει συναχθεί από τις παρατηρούμενες ιδιότητες των ελαφρών, αριστερόστροφων νετρίνων. Τα σταθερά, δεξιόστροφα νετρίνα θα ήταν ο τέλειος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη επειδή δεν συνδέονται με καμία από τις γνωστές δυνάμεις εκτός από τη βαρύτητα. Πριν από την εργασία τους, ήταν άγνωστο πώς θα μπορούσαν να έχουν παραχθεί στο θερμό πρώιμο Σύμπαν. Η κατοπτρική υπόθεση τους επέτρεψε να υπολογιστεί ακριβώς πόσα θα σχηματίζονταν, και να δειχθεί ότι θα μπορούσε να εξηγηθεί η κοσμική σκοτεινή ύλη.

Ακολούθησε μια ελέγξιμη πρόβλεψη: αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σταθερά, δεξιόστροφα νετρίνα, τότε ένα από τα τρία ελαφριά νετρίνα που γνωρίζουμε πρέπει να είναι ακριβώς χωρίς μάζα. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτή η πρόβλεψη ελέγχεται τώρα χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις της βαρυτικής συσσώρευσης της ύλης που γίνονται από έρευνες γαλαξιών μεγάλης κλίμακας.

Ενθαρρυμένοι από αυτό το αποτέλεσμα, οι ερευνητές άρχισαν να ασχολούνται με έναν άλλο μεγάλο γρίφο: γιατί το Σύμπαν είναι τόσο ομοιόμορφο και χωρικά επίπεδο, όχι καμπυλωτό, στις μεγαλύτερες ορατές κλίμακες; Το σενάριο του κοσμικού πληθωρισμού εφευρέθηκε, άλλωστε, από τους θεωρητικούς για να λύσει αυτό το πρόβλημα.

Η εντροπία είναι μια έννοια που ποσοτικοποιεί τον αριθμό των διαφορετικών τρόπων με τους οποίους ένα φυσικό σύστημα μπορεί να οργανωθεί. Για παράδειγμα, αν βάλουμε μερικά μόρια αέρα σε ένα κουτί, οι πιο πιθανές διαμορφώσεις είναι εκείνες που μεγιστοποιούν την εντροπία – με τα μόρια να είναι λίγο-πολύ ομαλά κατανεμημένα στο χώρο και να μοιράζονται τη συνολική ενέργεια λίγο-πολύ ισόποσα. Αυτού του είδους τα επιχειρήματα χρησιμοποιούνται στη στατιστική φυσική, το πεδίο που διέπει την κατανόηση της θερμότητας, του έργου και της θερμοδυναμικής.

Ο εκλιπών Φυσικός Stephen Hawking και οι συνεργάτες του γενίκευσαν τη στατιστική φυσική για να συμπεριλάβουν τη βαρύτητα. Χρησιμοποιώντας ένα κομψό επιχείρημα, υπολόγισαν τη θερμοκρασία και την εντροπία των μαύρων οπών. Χρησιμοποιώντας την υπόθεση του κατοπτρικού Σύμπαντος, οι Turok και Boyle κατάφεραν να επεκτείνουν τα επιχειρήματά τους στην κοσμολογία και να υπολογίσουν την εντροπία ολόκληρων Συμπάντων.

Προς έκπληξή τους, το Σύμπαν με την υψηλότερη εντροπία (που σημαίνει ότι είναι το πιο πιθανό, όπως ακριβώς τα άτομα που είναι διασκορπισμένα στο κουτί) είναι επίπεδο και διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, όπως ακριβώς και το πραγματικό. Έτσι, τα στατιστικά επιχειρήματα εξηγούν γιατί το Σύμπαν είναι επίπεδο και ομαλό και έχει μια μικρή θετική επιταχυνόμενη διαστολή, χωρίς να χρειάζεται κοσμικός πληθωρισμός.

Πώς θα είχαν δημιουργηθεί οι αρχέγονες μεταβολές της πυκνότητας, που συνήθως αποδίδονται στον πληθωρισμό, στο συμμετρικό κατοπτρικό Σύμπαν; Πρόσφατα, αποδείχθηκε ότι ένας συγκεκριμένος τύπος κβαντικού πεδίου (ένα πεδίο μηδενικής διάστασης) δημιουργεί ακριβώς τον τύπο των μεταβολών της πυκνότητας που παρατηρούμε, χωρίς πληθωρισμό. Είναι σημαντικό ότι αυτές οι μεταβολές πυκνότητας δεν συνοδεύονται από τα βαρυτικά κύματα μεγάλου μήκους κύματος που προβλέπει ο πληθωρισμός – και τα οποία δεν έχουν παρατηρηθεί.

Τα αποτελέσματα αυτά είναι πολύ ενθαρρυντικά. Χρειάζεται όμως περισσότερη δουλειά για να αποδειχθεί ότι η νέα θεωρία είναι τόσο μαθηματικά ορθή όσο και φυσικά ρεαλιστική. Ακόμη και αν η νέα θεωρία αποτύχει, μας έχει δώσει ένα πολύτιμο μάθημα. Μπορεί κάλλιστα να υπάρχουν απλούστερες, ισχυρότερες και πιο ελέγξιμες εξηγήσεις για τις βασικές ιδιότητες του Σύμπαντος από αυτές που παρέχουν οι συνηθισμένες θεωρίες.

Αντιμετωπίζοντας τους βαθύτατους γρίφους της Κοσμολογίας, καθοδηγούμενοι από τις παρατηρήσεις και εξερευνώντας κατευθύνσεις που δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί, ίσως μπορέσουμε να θέσουμε ασφαλέστερα θεμέλια τόσο για τη θεμελιώδη Φυσική όσο και για την κατανόηση του Σύμπαντος.

[via]