Το πιο ενοχλητικό πρόβλημα στη Φυσική

 

… συμβολίζεται με το γράμμα Λ και ονομάζεται κοσμολογική σταθερά

 

Ποιό είναι το πρόβλημα με την ενέργεια του κενού χώρου;

Η κβαντική μηχανική, η θεωρία που περιγράφει τον μικρόκοσμο, απαγορεύει το κενό. Σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή στον χρόνο και στον χώρο, η ενέργεια δεν μπορεί ποτέ να είναι ακριβώς μηδενική – υπάρχει πάντα περιθώριο ελιγμών. Από αυτό το περιθώριο ελιγμών, μπορούν να προκύψουν «εικονικά» σωματίδια – συγκεκριμένα, ένα ζεύγος που συνίσταται από ένα σωματίδιο και το αντι-σωματίδιό του, τα οποία εξαϋλώνονται μεταξύ τους και εξαφανίζονται τόσο γρήγορα όπως εμφανίστηκαν. Όσο παράξενο κι αν φαίνεται αυτό, σε πειράματα έχουν παρατηρηθεί οι συνέπειες των εικονικών σωματιδίων στον πραγματικό κόσμο. Όταν οι επιταχυντές σωματιδίων μέτρησαν για πρώτη φορά τη μάζα του μποζονίου Ζ, ήταν λίγο διαφορετική από την καθαρή μάζα του επειδή μερικές φορές μετατρεπόταν σε εικονικό κορυφαίο κουάρκ. Αυτή ήταν μία από τις πολλές παρατηρήσεις που αποδεικνύουν την ύπαρξη των εικονικών σωματιδίων.

Το αποτέλεσμα όλων αυτών των σωματιδίων που λικνίζονται μεταξύ ύπαρξης και ανυπαρξίας είναι μια θορυβώδης «ενέργεια κενού» που γεμίζει το σύμπαν και διαστέλλει τον ίδιο τον χώρο. Αυτή η δραστηριότητα είναι η πιο πιθανή εξήγηση για τη σκοτεινή ενέργεια – ο λόγος για τον οποίο το σύμπαν, αντί να παραμένει στατικό ή έστω να επεκτείνεται με σταθερό ρυθμό, διαστέλλεται επιταχυνόμενα με όλο και αυξανόμενο ρυθμό.

Το πρόβλημα με την ενέργεια κενού είναι ότι δεν υπάρχει αρκετή από αυτή. Όταν οι επιστήμονες άρχισαν να προβληματίζονται σχετικά, υπολόγισαν ότι αυτή η ενέργεια θα έπρεπε να είναι τεράστια – θα έπρεπε να έχει επεκτείνει το σύμπαν τόσο γρήγορα που δεν θα μπορούσαν ποτέ να σχηματιστούν τα άστρα και οι γαλαξίες.  Επειδή αυτό προφανώς δεν συμβαίνει, η ενέργεια κενού στο σύμπαν πρέπει να είναι πολύ μικρή – περίπου 120 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτήν που προβλέπει η κβαντική θεωρία. Είναι σαν να λέμε ότι κάτι που ζυγίζει πέντε κιλά θα πρέπει να ζυγίζει πραγματικά 5∙10¹²⁰ κιλά. Η ασυμφωνία οδήγησε ορισμένους επιστήμονες να ονομάσουν την ενέργεια κενού «τη χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής».

Η ενέργεια κενού θεωρείται ότι είναι το κύριο συστατικό της «κοσμολογικής σταθεράς», ενός μαθηματικού όρου στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας. Η τεράστια απόκλιση μεταξύ της προβλεπόμενης ποσότητας ενέργειας κενού και της μετρούμενης ποσότητας ονομάζεται συχνά πρόβλημα κοσμολογικής σταθεράς. «Γενικά θεωρείται ως ένα από τα πιο παράξενα, ενοχλητικά, δύσκολα προβλήματα στη θεωρητική φυσική σήμερα», λέει ο Antonio Padilla, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Nottingham στην Αγγλία, ο οποίος επί 15 χρόνια προσπαθεί να το καταλάβει. «Υποδηλώνει ότι υπάρχει κάτι που λείπει στην ιστορία μας. Το βρίσκω συναρπαστικό – ποιός δεν θα ήθελε να εργαστεί πάνω σ’ αυτό; »

O γρίφος έχει παρασύρει μερικά από τα μεγαλύτερα μυαλά στη φυσική και έχει προκαλέσει πληθώρα ιδεών για την επίλυσή του. Πέρυσι, ο φυσικός του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, Gregory Gabadadze, διέθεσε μια ώρα από την ομιλία του στο τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου Brown, για να συνοψίσει όλες τις απόψεις που έχουν διατυπώσει οι θεωρητικοί. Στο τέλος, ένα από τα μέλη του κοινού τον ρώτησε ποιες από τις ιδέες του άρεσε. «Καμία από αυτές», απάντησε ο Gabadadze. Είναι όλες πολύ «ακραίες», υποστήριξε, και όλες απαιτούν την «εγκατάλειψη ιερών αρχών».

Όμως, κάποιοι φυσικοί ισχυρίζονται πως οι νέες θεωρητικές εργασίες προκαλούν διεγερτικά διλλήματα. Και οι πρόσφατες εξελίξεις στα εργαστηριακά πειράματα ακριβείας που ανιχνεύουν την βαρύτητα, καθώς και η εμφάνιση της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων, δημιουργούν την προσδοκία ότι ορισμένες από τις προτεινόμενες λύσεις στο πρόβλημα, θα μπορούσαν τελικά να τεθούν σε πειραματικό έλεγχο – ή τουλάχιστον να απορριφθούν.

Η γέννηση του προβλήματος

Η κοσμολογική σταθερά έχει μια περιπετειώδη ιστορία. «Ήταν αυτό που θα μπορούσατε να θεωρήσετε ως μια μη λύση σε ένα μη πρόβλημα», λέει ο φυσικός Rafael Sorkin του Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο Οντάριο. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το εφηύρε για πρώτη φορά το 1917 ως μαθηματική πρόχειρη λύση για να επιβάλλει εκ των υστέρων στις  εξισώσεις της γενικής σχετικότητας την «πρόβλεψη» ότι το σύμπαν είναι στατικό, όπως πίστευε ο ίδιος και οι περισσότεροι επιστήμονες  εκείνη την εποχή. Αλλά το 1929 ο αστρονόμος Edwin Hubble  διαπίστωσε προς μεγάλη του έκπληξη, ότι όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς, και μάλιστα όσο πιο μακριά βρίσκονταν ο γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνονταν. Οι μετρήσεις του έδειξαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Αντιμέτωπος με αυτά τα νέα, ο Αϊνστάιν αποφάσισε μερικά χρόνια αργότερα να βγάλει την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του, αποκαλώντας την ως «το μεγαλύτερο λάθος στη ζωή μου», σύμφωνα με τον George Gamow.

Αρχικά φάνηκε πως η κοσμολογική σταθερά θα αποτελούσε μια ανούσια υποσημείωση στην ιστορία της φυσικής, τελικά όμως απλά ξεχάστηκε για λίγο καιρό για να τραβήξει προς τη δόξα ξανά.  Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 δύο ομάδες αστρονόμων ανταγωνίζονταν ποια θα μετρήσει πρώτη την επιβράδυνση στην διαστολή του σύμπαντος εξαιτίας της βαρυτικής έλξης μεταξύ των γαλαξιών και γενικότερα της ύλης του σύμπαντος. Το 1998 και το 1999 δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους, που βασίζονταν στις παρατηρήσεις σουπερνόβα των οποίων οι αποστάσεις μπορούσαν να προσδιοριστούν με μεγάλη ακρίβεια. Τα πιο μακρινά από αυτά τα σουπερνόβα αποδείχθηκαν πολύ πιο αμυδρά και, επομένως, σε μεγαλύτερη απόσταση από την αναμενόμενη. Η διαστολή δεν επιβραδυνόταν καθόλου – αντίθετα επιταχυνόταν. Αυτή η ανησυχητική ανακάλυψη μοίρασε το βραβείο Νόμπελ σε τρεις από τους καθοδηγητές των δυο ερευνητικών ομάδων και ώθησε τον κοσμολόγο Michael Turner να επινοήσει τον όρο «σκοτεινή ενέργεια» για την μυστηριώδη δύναμη που προκαλεί αυτή την συμπαντική επιτάχυνση. Αμέσως οι φυσικοί πρότειναν ότι η πηγή της σκοτεινής ενέργειας μπορεί να είναι η κοσμολογική σταθερά – με άλλα λόγια, η ενέργεια κενού. «Ίσως υπήρχε περισσότερη διορατικότητα στο λάθος του Αϊνστάιν από ό, τι στις καλύτερες προσπάθειες των απλών θνητών», έγραψε αργότερα ένας από τους φυσικούς που ανακάλυψη την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.

Αν και η κοσμολογική σταθερά επέτρεψε στους επιστήμονες να εξισορροπήσουν και πάλι τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, κάνοντάς τους να προβλέψουν ένα επιταχυνόμενο σύμπαν σαν αυτό που είχαν παρατηρήσει οι αστρονόμοι, η τιμή της σταθεράς δεν είχε κανένα νόημα. Στην πραγματικότητα επιδείνωσε ένα πρόβλημα που αρχικά ενοχλούσε ελάχιστα τους επιστήμονες. Στα χρόνια που η κοσμολογική σταθερά βρισκόταν στο περιθώριο, οι φυσικοί είχαν συνδέσει αυτόν τον όρο από την γενική σχετικότητα με την έννοια της ενέργειας του κενού από την κβαντική μηχανική. Αλλά η ενέργεια κενού υποτίθεται πως ήταν τεράστια.

Ένας από τους πρώτους ανθρώπους που παρατήρησε ότι κάτι δεν πάει καλά ήταν ο φυσικός Wolfgang Pauli, ο οποίος διαπίστωσε τη δεκαετία του 1920 ότι αυτή η ενέργεια θα έπρεπε να είναι τόσο ισχυρή που ο κόσμος θα έπρεπε να έχει επεκταθεί τόσο ώστε το φως δεν θα προλάβαινε να διασχίσει την απόσταση μεταξύ οποιωνδήποτε αντικειμένων του σύμπαντος. Ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Pauli, «δεν θα έφτανε καν στο φεγγάρι». Βρίσκοντας τότε διασκεδαστική την εκτίμησή του, όταν την παρουσίασε κανείς δεν την πήρε σοβαρά. Ο πρώτος που υπολόγισε επίσημα την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς με βάση τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας για την ενέργεια κενού ήταν ο φυσικός Yakov Zel’dovich, διαπιστώνοντας το 1967 ότι η ενέργεια κενού αποδίδει στην κοσμολογική σταθερά μια γιγαντιαία τιμή. Αλλά εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες πίστευαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με σταθερό ή επιβραδυνόμενο ρυθμό και οι περισσότεροι πίστευαν ότι η κοσμολογική σταθερά ήταν μηδέν. Έτσι γεννήθηκε το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς.

Τριάντα χρόνια αργότερα, όταν οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται επιταχυνόμενα, το πρόβλημα δεν εξαλείφθηκε. Το μέτρο της επιτάχυνσης, αν και σοκαριστικό εκείνη την εποχή, ήταν ακόμα μικρότερο σε σύγκριση με αυτό που προέβλεπε η κβαντική θεωρία. Κατά κάποιο τρόπο, η αναβίωση της κοσμολογικής σταθεράς επιδείνωσε την κατάσταση. Μέχρι τότε οι φυσικοί προσπαθούσαν να εξηγήσουν γιατί η κοσμολογική σταθερά μπορεί να βγει ακριβώς ίση με μηδέν. Όμως ήταν πολύ δυσκολότερο να εξηγήσουν γιατί μπορεί να είναι ελάχιστα μεγαλύτερη από το μηδέν. «Η τιμή της είναι πολύ περίεργη», λέει η φυσικός Katherine Freese του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Ώστιν. «Ακόμα πιο παράξενη και από το μηδέν.»

Δεν συμφωνούν όλοι ότι πρόκειται για πρόβλημα που χρειάζεται να διορθωθεί. Η κοσμολογική σταθερά είναι τεχνικά απλώς μια σταθερά της φύσης, ένας αριθμός σε μια εξίσωση που μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, λέει η Sabine Hossenfelder, φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών της Φρανκφούρτης στη Γερμανία (η οποία θεωρεί ότι η πίστη των φυσικών στην ομορφιά των μαθηματικών προκαλεί αδιέξοδα στη φυσική). Το γεγονός ότι έχει την τιμή που έχει είναι απλά μια αριθμητική σύμπτωση. «Θα μπορούσες απλά να δεχθείς την σταθερά και να τελειώσεις με αυτό. Όλες αυτές οι συζητήσεις σχετικά με το γιατί έχει την τιμή που έχει δεν είναι επιστημονικά καλές ερωτήσεις», λέει ο Hossenfelder. «Τίποτα σχετικά με την κβαντική θεωρία πεδίου δεν παραχαράχθηκε όταν η πρόβλεψή της δεν ταίριαξε με τις αστρονομικές μετρήσεις και η θεωρία είναι ακόμα τόσο χρήσιμη όσο ποτέ. Νομίζω ότι οι περισσότεροι άνθρωποι στην κοινότητα της κοσμολογίας και της αστροφυσικής πιστεύουν ότι είναι ένα πρόβλημα γιατί τους το είχαν πει στο παρελθόν».
«Ωστόσο, πολλοί φυσικοί δεν μπορούν να το αγνοήσουν. Η απροσδόκητη ελαχιστότητα της κοσμολογικής σταθεράς είναι ένα νήμα που χρειάζεται τράβηγμα. «Με ενοχλεί πολύ», λέει ο Gabadadze, «και θέλω μερικές απαντήσεις».

Θεωρίες με το τσουβάλι

Παρά το ζήλο με τον οποίο πολλοί φυσικοί έχουν επιτεθεί στο πρόβλημα, ο ρυθμός προόδου ήταν απογοητευτικά αργός. «Έχουν περάσει πάνω από 50 χρόνια από τότε που ο Zel’dovich επεσήμανε ποιό ήταν το πρόβλημα και σίγουρα δεν υπάρχει ακόμα μια αποδεκτή απάντηση», λέει ο Padilla. «Οι ιδέες έρχονται και φεύγουν, αλλά ελάχιστες παραμένουν.»

Οι περισσότερες προτεινόμενες λύσεις για το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες: αλλάξτε τις γενικές εξισώσεις σχετικότητας που περιγράφουν την διαστολή του σύμπαντος, τροποποιήστε τις εξισώσεις της κβαντικής θεωρίας πεδίου που προβλέπουν την ποσότητα ενέργειας κενού ή βάλτε κάτι εντελώς καινούργιο στο μείγμα.

Μια μικρή διόρθωση στην γενική σχετικότητα θα μπορούσε να αλλάξει τον μαθηματικό ρόλο που διαδραματίζει η κοσμολογική σταθερά – ή να την εξαφανίσει εντελώς. Η Freese και οι συνεργάτες της, για παράδειγμα, προσπάθησαν να εξαλείψουν την αναγκαιότητα η σταθερά να ερμηνεύει την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο θα πρέπει να εφαρμόζονται οι υπολογισμοί της γενικής σχετικότητας στο διαστελλόμενο σύμπαν. «Η ύλη και τα φωτόνια μπορεί να είναι αρκετά, χωρίς να προστεθούν νέα συστατικά στο σύμπαν, εφόσον ο ρόλος τους στις εξισώσεις είναι διαφορετικός», λέει. Το μοντέλο της βασίζεται στην ιδέα ότι οι επιπλέον διαστάσεις, πέρα από τις γνωστές τρεις χωρικές και μια του χρόνου, δεν μας είναι άμεσα αντιληπτές.

Μια άλλη οπτική γωνία για την βελτίωση της γενικής σχετικότητας ονομάζεται απομόνωση, και προτάθηκε από τον Padilla και τους συναδέλφους του. Τροποποιούν την θεωρία του Αϊνστάιν με τρόπο που απομονώνει την βαρύτητα, ώστε να μη μπορεί να αισθάνεται την επίδραση της ενέργειας κενού. «Δεν πρόκειται να προσποιηθώ ότι αυτό είναι το σωστό μοντέλο», προσθέτει ο Padilla, «αλλά κανείς δεν μπόρεσε να το αποκλείσει».

Κι αν δεν είναι η γενική σχετικότητα το πρόβλημα, τότε μπορεί να είναι η κβαντική μηχανική. Μερικοί θεωρητικοί έχουν προτείνει ότι η μέθοδος της κβαντικής θεωρίας πεδίου για τον υπολογισμό της ενέργειας κενού είναι λανθασμένη. Ο Stefan Hollands του Πανεπιστημίου της Λειψίας στη Γερμανία και οι συνάδελφοί του αμφισβητούν την εφαρμογή των κανονικών εξισώσεων στον καμπύλο χωροχρόνο, υποστηρίζοντας ότι διατυπώθηκαν με γνώμονα τον επίπεδο χώρο. Εάν οι φυσικοί μπορούσαν να τους τροποποιήσουν σωστά για καμπύλο χώρο, το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς θα εξαφανιζόταν.

Τα τρία κομμάτια του γρίφου

Η ενέργεια του κενού χώρου της κβαντικής θεωρίας θα μπορούσε να εκφραστεί με την κοσμολογική σταθερά Λ στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Και η κοσμολογική σταθερά Λ με τη σειρά της, μπορεί να εξηγήσει την σκοτεινή ενέργεια, στην οποία αποδίδεται η παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος (και όχι την στατικότητά του όπως λανθασμένα θεώρησε αρχικά ο Αϊνστάιν). Όμως η τιμή της σταθεράς Λ φαίνεται να είναι πάρα, μα πάρα πολύ μικρότερη σε σχέση με την τιμή που προβλέπουν οι θεωρίες.

Αλλά η λύση μπορεί να απαιτεί κάτι περισσότερο από μαθηματικά τρικ στις παραδοσιακές εξισώσεις. Μια πρόσφατη ανορθόδοξη ιδέα είναι μια πρόταση του Steve Carlip από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις, ότι ο χωροχρόνος είναι θεμελιωδώς κατασκευασμένος από «αφρό». Σε αυτήν την εικόνα, η καμπυλότητα του χώρου εμφανίζει συνεχώς διακυμάνσεις σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, οι οποίες είναι αδύνατον προσεγγιστούν πειραματικά. Όλη αυτή η περίπλοκη τοπολογία θα ακυρώσει μεγάλο μέρος της επίδρασης της κοσμολογικής σταθεράς, καθιστώντας την πολύ μικρή σε τοπικό επίπεδο. «Είναι μια τρελλή ιδέα», λέει ο Carlip. «Είναι ένας απελπισμένος τρόπος, όπως και κάθε άλλη προσπάθεια αντιμετώπισης της κοσμολογικής σταθεράς.»

Ο Sorkin, ο οποίος υποστηρίζει ότι ο χωροχρονικός αφρός του Carlip «βρίσκεται προς την σωστή κατεύθυνση», διαθέτει και δική του πρόταση. Εργάζεται σε μια προσέγγιση για την ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής και της βαρύτητας που ονομάζεται θεωρία αιτιολογικού συνόλου (causal set theory). Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, ο χωροχρόνος είναι θεμελιωδώς διακριτός – που σημαίνει ότι αντί να είναι ομαλά, συνεχώς εκτεταμένος, χωρίζεται σε μικροσκοπικά κομμάτια, μεμονωμένες μονάδες χώρου και χρόνου που αντιπροσωπεύουν τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος, όπως τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία της ύλης. Εάν αληθεύει αυτό, τότε ο υπολογισμός της κοσμολογικής σταθεράς συνεπάγεται διαίρεση με τον αριθμό μονάδων χωροχρόνου στο σύμπαν, οδηγώντας σε μια τιμή πολύ πιο κοντά σε αυτή που παρατηρούν οι αστρονόμοι.

Μία από τις πιο πασίγνωστες – και, από κάποιους, πιο μισητές – λύσεις του προβλήματος της κοσμολογικής σταθεράς ονομάζεται ανθρωπική αρχή. Σύμφωνα με αυτή τη συλλογιστική, η ‘απίθανη’ τιμή της κοσμολογικής σταθεράς στο σύμπαν μας μπορεί να αιτιολογηθεί, αν θεωρήσουμε ότι ζούμε σ’ ένα πολυσύμπαν. Εάν το σύμπαν μας είναι ένα από τα αναρίθμητα σύμπαντα στην κοσμική θάλασσα του πολυσύμπαντος, με διαφορετικούς φυσικούς νόμους και σταθερές σε καθένα από αυτά, τότε υποχρεωτικά σε ένα από αυτά τα σύμπαντα θα έπρεπε να πάρει και αυτήν την τιμή. Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν θα προέκυπταν σύμπαντα με γαλαξίες, άστρα, πλανήτες ή ζωή, απλά εμείς παρατηρούμε ότι ζούμε σε μια ακραία περίπτωση σύμπαντος του πολυσύμπαντος.

H θεωρία των χορδών επιτρέπει ένα «τοπίο(landscape)» από πιθανά σύμπαντα, που περιβάλλονται από έναν τέλμα (swampland) λογικά ασύμβατων συμπάντων. Σε όλα τα αποδεκτά και βιώσιμα σύμπαντα η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είτε μειώνεται είτε έχει μια σταθερή αρνητική τιμή, σε αντίθεση με το σύμπαν μας, όπου η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται να έχει μια σταθερή θετική τιμή.

Επειδή η θεωρία των χορδών απαιτεί την ύπαρξη πολυσύμπαντος, οι φυσικοί των χορδών τείνουν να θεωρούν με αυτή την συλλογιστική πως έχουν λύσει το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Άλλοι φυσικοί, ωστόσο, θεωρούν αυτή τη φιλοσοφία ως υπεκφυγή. «Αποφεύγουν το πρόβλημα», λέει ο Sorkin.”Όλες αυτές οι στρατηγικές τείνουν να περιλαμβάνουν αρκετά δραματικές αναθεωρήσεις της καθιερωμένης φυσικής. «Κάθε μια από αυτές απαιτεί μια σημαντική αναθεώρηση των βασικών αρχών, είτε του χωροχρόνου για παράδειγμα, είτε του αριθμού των διαστάσεων του σύμπαντος», λέει ο Gabadadze. «Όλες, κατά κάποιο τρόπο, προκαλούν δυσφορία. Καμία θεωρία δεν έχει ξεχωρίσει ξεκάθαρα από τις υπόλοιπες».
«Σε αυτό το σημείο είναι θέμα γούστου», λέει ο Carlip. «Πιθανώς η απάντηση είναι κάτι που κανείς δεν σκέφτηκε ακόμα.»

Σταθερότητα ή Πεμπτουσία;

Η κοσμολογική σταθερά παραμένει η καλύτερη ερμηνεία για την σκοτεινή ενέργεια – της μυστηριώδους δύναμης που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του χώρου. Κι αν η σκοτεινή ενέργεια δεν σχετίζεται στην πραγματικότητα με την κοσμολογική σταθερά ή με την ενέργεια κενού; Τι γίνεται αν η ενέργεια κενού του σύμπαντος με κάποιον τρόπο εξουδετερώνεται πλήρως και η κοσμολογική σταθερά είναι μηδέν; Σ’ αυτήν την περίπτωση, η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να οφείλεται σ’ αυτό που ονομάζεται πεμπτουσία.

Η έννοια της πεμπτουσίας εισήχθη το 1998 από τους φυσικούς Robert Caldwell, Paul Steinhardt και Rahul Dave ως μία εναλλακτική εξήγηση για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Η πεμπτουσία θα ήταν κάποια μορφή ενέργειας σε όλο το χώρο με αρνητική πίεση. Σε αντίθεση με την κοσμολογική σταθερά, η πεμπτουσία μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου. Μια εκδοχή της πεμπτουσίας, που ονομάζεται ενέργεια-φάντασμα, προβλέπει μια ενέργεια της οποίας η πυκνότητα αυξάνεται με την ηλικία του σύμπαντος, οδηγώντας σε μια τελική «μεγάλη ρίξη» όταν ο χώρος διαλυθεί από την καλπάζουσα διαστολή μέχρι η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων γίνει άπειρη.

Για να ελέγξουν εάν η σκοτεινή ενέργεια προκαλείται από την πεμπτουσία ή την κοσμολογική σταθερά, οι επιστήμονες πρέπει να προσδιορίσουν αν η ένταση της σκοτεινής ενέργειας αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Αρκετές έρευνες συλλέγουν δεδομένα σχετικά με το ρυθμό διαστολής του χώρου σε διαφορετικές κοσμικές εποχές. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το πρόγραμμα Dark Energy Survey, μια εξαετής προσπάθεια χαρτογράφησης γαλαξιών σε πολλές αποστάσεις σε μια μεγάλη περιοχή του ουρανού χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Victor M. Blanco στη Χιλή. Τα δεδομένα της έρευνας αναλύονται από τους επιστήμονες, και μέχρι στιγμής όλα τα σημάδια δείχνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή. Ένας άλλος τρόπος για να διαπιστώσουμε ότι η πεμπτουσία είναι πραγματική είναι να αναζητήσουμε ενδείξεις, ότι αυτή μεταβάλλει τις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής με την πάροδο του χρόνου. Μέχρι σήμερα δεν έχει αποδειχθεί η μεταβλητότητα αυτών των σταθερών.

Στις επόμενες δύο δεκαετίες τα πειράματα θα πρέπει να διαφωτίσουν περισσότερο τους επιστήμονες για το αν η κοσμολογική σταθερά (και η ενέργεια κενού πίσω από αυτή) είναι η πηγή της σκοτεινής ενέργειας. Το 2022,  με ένα τηλεσκόπιο που βρίσκεται υπό κατασκευή στη Χιλή, αναμένεται να βελτιωθεί δραματικά η ακρίβεια των μετρήσεων σχετικά με την εξέλιξη της κοσμικής επέκτασης. Σύντομα οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να πουν πιο ξεκάθαρα αν υπάρχει περιθώριο στα δεδομένα για την πεμπτουσία ή αν μια σταθερή «δύναμη» διαστέλλει επιταχυνόμενα το σύμπαν.

Κυματισμοί στον χωροχρόνο και αστέρες νετρονίων

Αν, όπως φαίνεται από τα στοιχεία μέχρι τώρα, η σκοτεινή ενέργεια είναι πραγματικά αποτέλεσμα της κοσμολογικής σταθεράς, υπάρχει ακόμα κάποια ελπίδα να επιλέξουμε από τις διάφορες προτεινόμενες ερμηνείες για την απροσδόκητη σμικρότητά της. Τα επερχόμενα πειράματα και οι αστρονομικές παρατηρήσεις μπορεί να προσφέρουν έναν τρόπο διάκρισης από την πληθώρα των θεωριών, απορρίπτοντας μερικές και, στηρίζοντας ίσως κάποιες άλλες.

 

Πριν από πέντε χρόνια οι επιστήμονες κατέκτησαν έναν εντελώς νέο τρόπο διερεύνησης του σύμπαντος, όταν άρχισαν να ανιχνεύουν βαρυτικά κύματα, τους κυματισμούς στον χωροχρόνο που προκαλούνται από την σύγκρουση τεράστιων μαζών, όπως μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων. Τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων όπως το LIGO στις ΗΠΑ και το Virgo στην Ευρώπη ανιχνεύουν βαρυτικά κύματα που παράγονται από κοσμικούς κατακλυσμούς, και αυτά τα κύματα μπορεί να αποδειχθούν χρήσιμα στην διερεύνηση της φύσης της ενέργειας κενού. Κάποιες προσπάθειες επίλυσης του προβλήματος της κοσμολογικής σταθεράς βασίζονται σε τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας, οι οποίες θα είχαν ως αποτέλεσμα η βαρύτητα να διαδίδεται με ταχύτητα λίγο πιο μικρή από την ταχύτητα του φωτός. Το γεγονός ότι τα βαρυτικά κύματα φαίνεται πως φτάνουν στην Γη ταυτόχρονα με το φως που προκαλείται από το ίδιο γεγονός που προκαλεί το βαρυτικό κύμα, έχει αποκλείσει αυτήν την ιδέα, απορρίπτοντας έτσι αυτές τις θεωρίες. «Είχαμε ένα μοντέλο πριν από 10 χρόνια που ονομάζεται Fab Four (γιατί όχι The Beatles;) που είχε ως στόχο την επίλυση του προβλήματος της κοσμολογικής σταθεράς», λέει ο Padilla. «Είχα ήδη αρχίσει να αμφιβάλλω γι’ αυτό, αλλά τα δεδομένα των βαρυτικών κυμάτων το σκότωσαν».

Τα βαρυτικά κύματα μας αποκαλύπτουν επίσης την παράξενη δραστηριότητα μέσα στα άστρα νετρονίων. Αυτά τα συμπαγή υπολείμματα των σουπερνόβα είναι τόσο πυκνά που τα άτομα έχουν καταρρεύσει, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια τους συνθλίβονται για να σχηματίσουν ένα συνονθύλευμα κυρίως από νετρόνια. Αυτή η αλλόκοτη κατάσταση δημιουργεί παράξενα φαινόμενα – για παράδειγμα, ο πυρήνας ενός άστρου νετρονίων μπορεί να περιέχει μια νέα φάση ύλης, η οποία θα προκαλούσε ένα άλμα στην ποσότητα ενέργειας κενού στο εσωτερικό του. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορεί να είναι ευαίσθητοι στα βαρυτικά αποτελέσματα αυτής της επιπλέον ενέργειας κενού, αποκαλύπτοντας ενδεχομένως μυστικά σχετικά με τη φύση της ενέργειας κενού.

Και ενώ τα πειράματα αστροφυσικής αναζητούν ενδείξεις σε κοσμική κλίμακα, τα πειράματα στα εργαστήρια θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους ερευνητές να ταξινομήσουν τις υποθέσεις σχετικά με την κοσμολογική σταθερά. Οι εργαστηριακές διατάξεις που διερευνούν το σύμπαν στις μικρότερες δυνατές αποστάσεις θα μπορούσαν να είναι ευαίσθητες σε μερικές από τις τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας που προτείνουν οι φυσικοί.

Ένα παράδειγμα είναι η εργασία της ομάδας Eöt-Wash στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, όπου οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ένα εξαιρετικά ευαίσθητο πείραμα ισορροπίας για την μελέτη της βαρύτητας στις μικρές αποστάσεις. Χρησιμοποιώντας ένα όργανο ακριβείας βασισμένο στον ζυγό στρέψης, οι ερευνητές παρακολουθούν την συμπεριφορά της βαρύτητας σε κλίμακες έως και δεκάδων εκατομμυριοστών του μέτρου. Εφόσον η βαρυτική δύναμη εξασθενεί σε τόσο κοντινά σημεία, όπως προτείνουν ορισμένες θεωρίες – ή αν οι επιπλέον διαστάσεις του χώρου είναι ευδιάκριτες εκεί – η ομάδα Eöt-Wash θα το ανακαλύψει. Μέχρι στιγμής η βαρύτητα υπακούει στους νόμους του Νεύτωνα και του Αϊνστάιν στα πειράματά τους, και δεν έχουν δει κρυμμένες χωρικές διαστάσεις, αλλά οι επιστήμονες συνεχίζουν να βελτιώνουν το πείραμά τους ώστε να μελετούν όλο και πιο μικρότερες αποστάσεις. Ακόμα κι αν η ομάδα δεν ανιχνεύσει ποτέ τις αποκλίσεις οι οποίες επηρεάζουν την ενέργεια κενού, αυτό δεν θα είναι απαραιτήτως οριστικό: είναι πιθανό τέτοιες αλλαγές να συμβαίνουν μόνο σε αποστάσεις που είναι αδύνατον να προσεγγιστούν από τις δυνατότητές μας.

«Θα συνεχίσουμε να προσπαθούμε», λέει ο Gabadadze για τις προσπάθειες ελέγχου των υποθέσεων για την κοσμολογική σταθερά με πειράματα. «Κάθε γενιά φυσικών από το 1960 βλέπει νέες λύσεις να αναδύονται. Ίσως στο μέλλον, κάποιες από αυτές θα μπορούσαν να επιβεβαιωθούν πειραματικά, αλλά δεν φτάσαμε ακόμα σ’ ένα τέτοιο σημείο».

Παρά τη δυσκολία του προβλήματος, οι φυσικοί εξακολουθούν να ελπίζουν για μια λύση σύντομα. Ίσως αυτές οι προσπάθειες κατανόησης του γρίφου της κοσμολογικής σταθεράς να αποκαλύψουν βαθύτερες αλήθειες για την κβαντική φυσική και την γενική σχετικότητα. Ή ίσως οι επιστήμονες να ανακαλύψουν μια απλούστερη λύση. Αλλά ακόμη κι αν αναζητούν μια λύση που δεν θα βρεθεί ποτέ, οι περισσότεροι φυσικοί απολαμβάνουν το ωραίο ταξίδι της αναζήτησης.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του Scientific American, ‘The Cosmological Constant Is Physics’ Most Embarrassing Problem‘, Clara Moskowitz

 

https://physicsgg.me/2021/02/15/%cf%84%ce%bf-%cf%80%ce%b9%ce%bf-%ce%b5%ce%bd%ce%bf%cf%87%ce%bb%ce%b7%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%cf%80%cf%81%cf%8c%ce%b2%ce%bb%ce%b7%ce%bc%ce%b1-%cf%83%cf%84%ce%b7-%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%ae/