Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang Μέρος 4ο

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang
Μέρος 4ο

Παράθυρο στο πρώιμο σύμπαν

Καλύτερες μετρήσεις των πρώιμων ποσοτήτων σε συνδυασμό με τα ακριβή κοσμολογικά δεδομένα μας οδηγούν στο συμπέρασμα (με ένα εύρος λάθους περίπου 10%) ότι οι ποσότητες του ηλίου-4, του δευτερίου και του λιθίου-7 διαφωνούν με τη θεωρία της πυρηνοσύνθεσης κατά το Big Bang (BBN). Αλλά πρόσθετες αβεβαιότητες, όπως αυτές προκύπτουν από την άγνοια ορισμένων αστροφυσικών περιβαλλόντων, οι μετρήσεις μας λένε τελικά ότι η BBN είναι σωστή.

Καθήκον μας τώρα είναι να διορθώσουμε αυτή η άγνοια και, αν εξακολουθούν να υφίστανται αποκλίσεις, να καταλάβουμε τι σημαίνει αυτό για τη φυσική του πρώιμου σύμπαντος. Ακόμη και αν το πρόβλημα του λιθίου αποδειχθεί ότι είναι ένα πρώιμο σημάδι νέων σωματιδίων ή άλλης θεμελιώδους φυσικής, η οριστική απάντηση θα εξακολουθεί να εξαρτάται από την καλύτερη κατανόηση των άστρων με το πλάτωμα Spite. Με άλλα λόγια, θα ήταν φρόνιμο να εξαντλήσουμε όλες τις αστροφυσικές εξηγήσεις πριν από την αναμόρφωση της BBN που να βασίζεται σε μια ακόμη άγνωστη θεμελιώδη φυσική.

Για περίπου τρεις δεκαετίες η BBN ήταν ο άξονας στο επιχείρημα για τη μη βαρυονική σκοτεινή ύλη στο Σύμπαν. Παραμένει για μας το πιο καθαρό παράθυρο του σύμπαντος για εποχές λιγότερο από έναν χρόνο μετά το Big Bang και - με τη μέτρηση της βαρυονικής πυκνότητας - μια σημαντική διασταύρωση των κοσμολογικών δεδομένων, που παρέχονται τόσο από το μικροκυματικό κοσμικό υπόβαθρο όσο και από έρευνες της κατανομής των γαλαξιών. Ωστόσο, τώρα που το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο μας έχει δώσει πιο ακριβή μετρήσεις της μέσης βαρυονικής πυκνότητας από ότι η BBN, κάτι που οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην αποστολή WMAP, ο ρόλος της BBN στην αστροφυσική αλλάζει.

Η νέα κατάσταση έχει αυξήσει τον αριθμό των περιορισμών στην BBN, βελτιώνοντας ενδεχομένως την ισχύ της ως ένα τεστ των μοντέλων της σωματιδιακής φυσικής. Πράγματι, το πρώτο τεστ για οποιαδήποτε επέκταση στο Στάνταρτ Μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων είναι ότι διατηρείται η ακόμα ελλιπής επιτυχία της BBN. Στα επόμενα χρόνια, με τα πρότζεκτ όπως είναι η συνέχεια του Sloan Digital Sky Survey, που λέγεται SEGUE, και το πρόγραμμα RAVE στο Αγγλο-Αυστραλιανό Παρατηρητήριο, θα μετρηθούν οι συνθέσεις περίπου 1 εκατομμυρίου άστρων στο Γαλαξία μας. Αυτό το μεγάλο δείγμα των άστρων με διαφορετικές ηλικίες, συνθέσεις και ιστορίες θα χρησιμοποιηθεί για να ανασυνθέσει την μπερδεμένη ιστορία της συναρμολόγησης του Γαλαξία μας και του ατομικού του πυρήνα, όπως οι παλαιοντολόγοι κάνουν χρήση των απολιθωμάτων για να ανασυνθέσει την ιστορία της ζωής στη Γη. Η BBN μας εξασφαλίζει την αρχική ρύθμιση για αυτή την ιστορία της ρίζας μας.

Περίληψη: πυρηνοσύνθεση στο Big Bang

• Η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang (BBN) είναι η διαδικασία κατά την οποία οι ελαφρύς πυρήνες του δευτερίου, του ηλίου-3, του ηλίου-4 και λιθίου-7 έχουν παραχθεί τα πρώτα λεπτά του σύμπαντος

• Για πολλά χρόνια, η BBN πρόβλεπε με τον πλέον αξιόπιστο τρόπο τον καθορισμό της μέσης βαρυονικής πυκνότητας του σύμπαντος - μια κεντρική παράμετρο στην κοσμολογία που αποκάλυψε ότι το σύμπαν είναι κυρίως κατασκευασμένα από "σκοτεινή" ύλη και όχι από τα απλά πρωτόνια και νετρόνια

• Σαν μια σημαντική συνιστώσα του καυτού μοντέλου του Big Bang, η BBN μπορεί να ελεγχθεί με τη μέτρηση της ποσότητας ορισμένων ελαφρών πυρήνων που ήταν παρόντα σε πολύ παλιά κοσμικά υλικά

• Τρέχουσες μετρήσεις της ποσότητας των ελαφρών πυρήνων δίνουν αντιφατικές τιμές για την βαρυονική πυκνότητα του σύμπαντος, ιδιαίτερα δε το λίθιο να προκαλεί την κατανόηση που έχουμε τόσο για τα άστρα στα οποία παρατηρείται, όσο και η ίδια η θεωρία της BBN

• Ακριβείς μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υπόβαθρου δίνουν μια ανεξάρτητη μέτρηση της πυκνότητας των βαρυονίων και επιτρέπει έτσι πιο αυστηρές δοκιμές του μοντέλου της BBN

---

Λίγα ακόμα λόγια για το λίθιο-7

Το πιο ενδιαφέρον κομμάτι της πυρηνοσύνθεσης είναι η ποσότητα του λιθίου-7 (πυρήνες με 3 πρωτόνια και 4 νετρόνια). Αυτοί οι πυρήνες που παράγονται από πυρηνική σύντηξη μέσα σε μερικά άστρα, αλλά πολύ συχνά αυτοί καταστρέφονται. Πρόσθετοι τρόποι παραγωγής του λιθίου-7 πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τα εξής: Ο Κόσμος είναι γεμάτος με πολύ γρήγορα, υψηλής ενέργειας σωματίδια, κυρίως πρωτόνια, που συνήθως ονομάζονται "κοσμικές ακτίνες". Όταν οι κοσμικές ακτίνες συγκρούονται με το διαστρικό αέριο, ένα από τα πιθανά αποτελέσματα είναι πυρήνες του λίθιου-7.

Ευτυχώς, φαίνεται ότι υπάρχουν κάποια αντικείμενα στο σύμπαν - ακόμα και στο δικό μας Γαλαξία -- στα οποία η πρωταρχική ποσότητα του λιθίου-7 διατηρείται. Αυτά τα αντικείμενα είναι άστρα ιδιαίτερα μεγάλης ηλικίας, και συγκριτικά πολύ ψυχρά. Πώς το ξέρουμε όμως;

Τα άστρα έχουν μια πολυεπίπεδη διάρθρωση - οι πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης λαμβάνουν χώρα στις εσωτερικές, πιο καυτές περιοχές, αλλά όχι στα ακραία εξωτερικά στρώματα. Συνεπώς, η σύνθεση των ακραίων στρωμάτων θα πρέπει να δείχνει τις αναλογίες των στοιχείων από τα οποία έχει σχηματιστεί το άστρο. Για πολύ παλαιά λοιπόν άστρα, η αναλογία των ποσοτήτων των στοιχείων πρέπει να είναι κοντά στις πρωταρχικές τιμές του νέου σύμπαντος. Για τα νεότερα άστρα, τα οποία έχουν μολυνθεί με τα υλικά που σχηματίστηκαν από τα προϊόντα της σύντηξης των προηγούμενων γενεών, οι αναλογίες θα είναι διαφορετικές.

Με μια συστηματική ανάλυση του φωτός που λήφθηκε από τα ακραία εξωτερικά στρώματα (πιο συγκεκριμένα, των διαφόρων γραμμών εκπομπής και απορρόφησης), οι αστρονόμοι μπορούν να καθορίσουν τις ποσότητες των συστατικών στοιχείων του στρώματος. Η παρουσία στοιχείων όπως είναι το οξυγόνο ή το άζωτο ή, στη συγκεκριμένη περίπτωση, η παρουσία του σιδήρου χρησιμεύουν ως δείκτες της χημικής εξέλιξης: Αξιόλογα ποσά αυτά τα στοιχεία δείχνουν ότι ένα αστέρι είναι νεαρό, το οποίο σχηματίστηκε από τα συντρίμμια των άλλων άστρων . Χαμηλές ποσότητες μας δείχνουν ότι το αστέρι είναι αρκετά παλαιό.

Διάγραμμα για τα νεαρά άστρα, όπου το λίθιο ποικίλει

Για τα νεότερα άστρα - που αναγνωρίζονται από την υψηλή τους περιεκτικότητα σε σίδηρο - οι ποσότητες του λίθιου-7 μπορεί να είναι κατά πολύ διαφορετικές, όπως φαίνεται στο πιο πάνω διάγραμμα, που δείχνει την περιεκτικότητα σε σίδηρο (οριζόντιος άξονας, το αντικείμενο που αναφερόμαστε είναι ο ήλιος μας) ως προς το λίθιο-7 (κάθετος άξονας, η κλίμακα είναι ο αριθμός των πυρήνων του λιθίου-7 ανά πυρήνα υδρογόνου). Αυτό συμβαίνει γιατί η ποσότητα του λιθίου-7 που παράγεται στην αστρική σύντηξη θα ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τη μάζα του άστρου, τη θερμοκρασία και την αρχική του σύνθεση.

Σε αντίθεση, το περιεχόμενο λίθιο-7 για τα περισσότερα από τα παλαιότερα άστρα (άστρα, με εξωτερικά στρώματα που περιέχουν λιγότερο από το 1/10 του σιδήρου του ήλιου μας) είναι περίπου σταθερό, όπως δείχνει το παρακάτω διάγραμμα:

Διάγραμμα για τα παλιά άστρα, όπου το λίθιο είναι σταθερό

Το γεγονός ότι οι ποσότητες του λίθιου-7 για αυτά τα αρχαιότερα άστρα δείχνουν πολύ μικρή διακύμανση (σαν πλάτωμα) είναι ισχυρή ένδειξη ότι, στα πιο εξωτερικά στρώματα αυτών των άστρων, το λίθιο-7 είναι αμόλυντα από την αστρική πυρηνική σύντηξη. Το σταθερό περιεχόμενο του λιθίου έχει δώσει σε αυτά τα άστρα το όνομά τους: Λέγονται άστρα με πλάτωμα-λιθίου ή, εναλλακτικά, άστρα με πλάτωμα Spite (γιατί το ανακάλυψαν οι François και Monique Spite του Γαλλικού Παρατηρητηρίου). Από την αστρική φυσική, μπορεί κανείς να εκτιμήσει ότι είναι μεταξύ 10 και 13 δισεκατομμυρίων ετών - τα πιο αρχαία τέτοια άστρα έχουν περίπου το 95% της ηλικίας του σύμπαντος!

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang Μέρος 3ο

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang
Μέρος 3ο

Εξωτική φυσική για το πρόβλημα με το λίθιο

Σήμερα ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της BBN είναι η αναλογία του λιθίου. Για την βαρυονική πυκνότητα που δίνεται από την αποστολή WMAP, η BBN προβλέπει ότι υπάρχουν 4.7 × 10^–10 άτομα λιθίου-7 για κάθε άτομο υδρογόνου, ενώ τα άστρα παρατήρησης του λιθίου με το πλάτωμα Spite (δείτε το 4ο μέρος για την εξήγηση του) περιέχουν μόνο το1.4 × 10^–10. Έχουν προταθεί πολλές εξηγήσεις για το πρόβλημα αυτό, αλλά κανείς δεν γνωρίζει τη σωστή απάντηση. Είτε λείπει από τη θεωρία BBN κάποια σημαντική φυσική διεργασία, δηλαδή κάποιος αστροφυσικός μηχανισμός καταστρέφει μεγάλες ποσότητες λιθίου-7 μετά τη πυρηνογένηση κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, ή υπάρχει κάτι λάθος με την αστρική ερμηνεία των φασμάτων.

Για την επίλυση της αναντιστοιχίας του λιθίου, κάποιοι φυσικοί έστρεψαν την προσοχή τους στα μοντέλα της BBN που ενσωματώνουν εξωτικές ιδέες από την σωματιδιακή φυσική. Πολλές θεωρίες που προσπαθούν να ενοποιήσουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση - με βάση την υπερσυμμετρία ή σε μοντέλα με επιπλέον διαστάσεις του χώρου - προβλέπουν την ύπαρξη βαρέων σωματιδίων που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Αν τα σωματίδια αυτά ήταν ασταθή και διασπάστηκαν μέσα σε ένα χρόνο μετά τη BBN, αυτό ενδέχεται να έχει επιδράσει αρκετά πάνω στις πυρηνικές αναλογίες που δίνουν νετρόνια, πρωτόνια και ενέργεια για ένα δεύτερο γύρο της πυρηνοσύνθεσης εμπλέκοντας διάφορες αντιδράσεις σε πολύ υψηλότερη ενέργεια.

Το 2006 ο Jonathan Feng του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Irvine πρότεινε ένα τέτοιο μοντέλο το οποίο "κανονικά" υπερσυμμετρικά σωματίδια, όπως νετραλίνα (οι υπερσυμμετρικοί εταίροι των σωματιδίων που μεταφέρουν τη δύναμη, σαν τα φωτόνια και τα μποζόνια Z) διασπώνται σε μια μορφή σωματιδίων που λέγονται superWIMPs, που μπορούν να αποτελούν τη σημερινή σκοτεινή ύλη. Αλλά είναι δυνατό να υπάρχουν πολλές παραλλαγές εφόσον οι διασπάσεις περιλαμβάνουν πρωτόνια, νετρόνια και φωτόνια. Τα ενεργητικά σωματίδια που δημιουργούνται κατά τις διασπάσεις των σωματιδίων αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες της BBN , που δημιουργήθηκαν μήνες νωρίτερα. Με αυτόν τον τρόπο, σωματίδια με κατάλληλη μάζα και κατάλληλες ιδιότητες της διάσπασης μπορούν να καταστρέψουν τα 2/3 του βηρύλλιου-7 που παράγονται ενδιάμεσα κατά τη BBN, και επειδή το βηρύλλιο-7 διασπάται μετά τη BBN για να παράγει το πρωταρχικό λίθιο-7, η πρόταση του Feng θα μπορούσε να αποτελέσει μια θαυμάσια λύση για το έλλειμμα του λιθίου.

Η ελπίδα που κρύβουν τέτοια εξωτικά μοντέλα της σωματιδιακής φυσικής είναι ότι, το πρόβλημα του λιθίου θα μπορούσε να δώσει το πρώτο σημάδι για κάποια νέα θεμελιώδη φυσική. Μελέτες της BBN θα μπορούσαν στη συνέχεια να οδηγήσουν σε πειράματα σε επιταχυντές, όπως ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων στο CERN. Δυστυχώς, η BBN δεν προσφέρει επαρκείς πληροφορίες για το τι έγινε σίγουρα, εκτός του ότι οριοθετεί τι είναι δυνατό και τι είναι αδύνατο. Πράγματι, οι περισσότεροι ερευνητές στον τομέα των ποσοτήτων των ελαφρών στοιχείων θα μπορούσαν πιθανότατα να ευνοήσουν περισσότερες κοσμικές λύσεις για το πρόβλημα του λιθίου, ακόμη και αν αυτές οι λύσεις είναι λιγότερο ενδιαφέρουσες για τους φυσικούς σωματιδίων.

Απαντήσεις από την Αστροφυσική

Για παράδειγμα το 2004 οι Jorge Meléndez και Iván Ramírez ισχυρίστηκαν ότι τα μοντέλα για τα άστρα με το πλάτωμα Spite στηρίζονται σε κακές εκτιμήσεις για την επιφανειακή θερμοκρασία των άστρων, και προτείνουν μια σοβαρή αλλαγή της κλίμακας αυτών των εκτιμήσεων προς την κατεύθυνση της συμφωνίας της ποσότητας του λιθίου με τα δεδομένα της αποστολής WMAP. Η πρόταση αυτή αντιμετωπίστηκε με πολύ σκεπτικισμό από τους συναδέλφους, κυρίως επειδή αυτή η αλλαγή της κλίμακας οδηγεί σε θερμοκρασίες που διαφωνούν με άλλες μετρήσεις, όπως είναι οι εντάσεις των γραμμών εκπομπής του υδρογόνου. Σε κάθε περίπτωση, η αλλαγή της κλίμακας στην καλύτερη περίπτωση μπορεί να είναι μια μερική λύση μόνο στο πρόβλημα του λιθίου, δεδομένου ότι ανεβάζει τις ποσότητες του λιθίου κατά ένα συντελεστή 1,4 - κι όχι κατά 3 που απαιτείται.

Ίσως η πιο πιθανή εξήγηση για την φαινόμενη έλλειψη του λιθίου είναι ότι τα άστρα που παρατηρούμε έχουν σταδιακά καταστρέψει το λίθιο τους τα 10 δισεκατομμύρια έτη ή και περισσότερο από τότε που σχηματίστηκαν. Οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν μόνο το έξω τμήμα ενός αστέρα - το πάνω μέρος του στρώματος μεταγωγής. Ωστόσο, οποιοδήποτε λίθιο σε ένα αστέρι που είναι εκτεθειμένο σε θερμοκρασίες άνω των, περίπου, 2.5 × 10⁶ K το λίθιο γρήγορα καταστρέφεται από την πυρηνική αντίδραση ⁷Li + H --> 2 ⁴He. Ως εκ τούτου, το λίθιο μπορεί να διαφυλαχθεί πλήρως μόνο στο στρώμα μεταγωγής, αν όλο το στρώμα είναι πολύ ψυχρό για να γίνει σύντηξη, και ταυτόχρονα αν το λίθιο δεν είναι αναμεμειγμένα μεταξύ της επιφάνειας και του βαθύτερου, πιο καυτού στρώματος, του αστεριού. Αν και τα άστρα με το πλάτωμα Spite έχουν επιλεγεί να πληρούν αυτά τα κριτήρια, μπορεί να υπάρχει απρόσμενη εξέλιξη στις διεργασίες στο εσωτερικό τους.

Αλλά πώς θα μπορούσε το λίθιο στην επιφάνεια ενός αστέρα να βρεθεί από την επιφάνεια στο εσωτερικό του άστρου; Είναι γνωστοί διάφοροι μηχανισμοί που θα μπορούσαν δυνητικά να αναμείξουν τα τμήματα μεταγωγής και τα μη μεταγωγής τμήματα του άστρου, αλλά είναι δύσκολο να υπολογισθούν οι ρυθμοί αυτών των διαδικασιών.

Το 2006, ο Martin Asplund και οι συνεργάτες του στο Παρατηρητήριο Mount Stromlo στην Αυστραλία έκαναν εκτεταμένες παρατηρήσεις του λιθίου-6 στα άστρα με το πλάτωμα χρησιμοποιώντας το VLT. Σε καθένα από τα εννέα άστρα όπου βρέθηκε λίθιο-6, περίπου το 5% του λιθίου αποτελείτο από αυτό το ισότοπο - που ήταν μεγαλύτερη από την αναμενόμενη ποσότητα, αν και μέσα στο όριο αυτού που ήταν ανιχνεύσιμο με τον εξοπλισμό αυτό. Το γεγονός αυτό έχει τεράστιες επιπτώσεις όχι μόνο για την πυρηνοσύνθεση BBN, αλλά και για την ιστορία των κοσμικών ακτίνων στον Γαλαξία μας και για την αστρική αστροφυσική. Για παράδειγμα, η παραγωγή τέτοιων μεγάλων ποσών του λιθίου-6 απαιτείται να έχει μια τεράστια ροή των κοσμικών ακτίνων νωρίς στην ιστορία του Γαλαξία μας, ίσως περισσότερο απ' ό,τι θα μπορούσαν να προβλεφτεί από γνωστούς μηχανισμούς επιτάχυνσης. Επιπλέον, αν τα άστρα με το πλάτωμα έχουν πραγματικά καταστρέψει αρκετό λίθιο-7, για να φέρουν την πρόβλεψη του WMAP για τη μέση πυκνότητας των βαρυονίων σε συμφωνία με αυτό που παρατηρήθηκε στα άστρα με το πλάτωμα, η μεγαλύτερη ευθραυστότητα του λιθίου-6 συνεπάγεται ότι τα άστρα αρχικά είχαν λίθιο-6 σε ποσότητες συγκρίσιμες με τις παρατηρούμενες στα άστρα με το πλάτωμα του λιθίου-7.

Η διαφωνία για την αναλογία του λίθιου

Σε μια σειρά από ανακοινώσεις, που δημοσιεύτηκαν μεταξύ του 2002 και του 2004, ο Richard Olivier στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ πρότεινε μια τέτοια ανάμειξη μοντέλων που από τότε έχει υποστηριχθεί από παρατηρήσεις. Ειδικότερα προτείνει ότι όλοι οι πυρήνες που είναι βαρύτεροι από το υδρογόνο βουλιάζουν πολύ αργά μακριά από το στρώμα μεταγωγής των άστρων λόγω της δράσης της βαρύτητας. Και το μοντέλο αυτό κάνει συγκεκριμένες προβλέψεις για το τι συμβαίνει καθώς εξελίσσεται το άστρο.

Δεξιά: Για να μετρηθεί η ποσότητα του λιθίου που παράγεται κατά τη διάρκεια της νουκλεοσύνθεσης του Big Bang (BBN), οι ερευνητές παρατηρούν τα πολύ παλιά, χημικώς πρωτόγονα, αστέρια που σχηματίστηκαν από σχεδόν το πρωταρχικό αέριο του σύμπαντος. Ωστόσο, η ποσότητα του λιθίου σε αυτά τα αστέρια με την σχεδόν ίδια ποσότητα του λιθίου (με πράσινο χρώμα στην εικόνα, και επειδή σχηματίζουν ένα πλάτωμα γι αυτό ονομάζονται άστρα με πλάτωμα Spite από αυτούς που το ανακάλυψαν) είναι πολύ μικρότερη από αυτό που έχει συναχθεί από το συνδυασμό της BBN με τις μετρήσεις της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου από την αποστολή WMAP (κίτρινη ζώνη).

Η αναντιστοιχία αυτή οδήγησε ορισμένους ερευνητές στο ερώτημα κατά πόσον μπορεί να φταίει οι γνώσεις μας για την αστροφυσική των άστρων. Για παράδειγμα, μία πρόταση υποδεικνύει ότι κάποια ποσότητα του λιθίου-7 έχει καταστραφεί λόγω της ανάμειξης ή διαδικασιών διάχυσης. Τα εν λόγω αστέρια - που έχουν επιφανειακές θερμοκρασίες μεταξύ 5.700 και 6.400 Κ - έχουν ομοιόμορφη αναλογία του λιθίου, επειδή τα αβαθή στρώματα μεταγωγής σε αυτά τα καυτά αστέρια, δεν διεισδύουν σε βάθη τέτοια, όπου η θερμοκρασία να υπερβαίνει τη θερμοκρασία καταστροφής του λιθίου-7 (T_destruct ~ 2.5 × 10⁶ K). Αν τα επιφανειακά στρώματα με το λίθιο σταδιακά βυθιστούν στο εσωτερικό των άστρων, όπου η θερμοκρασία τους Τ είναι μεγαλύτερη από T_destruct, τότε οι επιφάνειες αυτών των άστρων μπορούν σιγά-σιγά να χάσουν το λίθιο τους.

Την άνοιξη του 2006, ο Andreas Korn στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα χρησιμοποίησε το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) στη Χιλή, για τη μελέτη 18 χημικώς πρωτόγονα άστρα σε ένα μακρινό σφαιρωτό σμήνος, το NGC 6397, και που ήταν γνωστό ότι έχουν την ίδια ηλικία και την ίδια αρχική σύνθεση. Από αυτές τις παρατηρήσεις οι ερευνητές έδειξαν ότι οι αναλογίες του σίδηρου και το λίθιου σε αυτά τα άστρα, διέφεραν ανάλογα με την αστρική μάζα όπως προβλέπεται από το μοντέλο του Richard Olivier. Στην πραγματικότητα, το μοντέλο αναφέρεται ότι τα παρατηρούμενα άστρα ξεκίνησαν με μια ποσότητα του λιθίου που συμφωνεί με τα δεδομένα της αποστολής WMAP. Η επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων αυτών είναι ζωτικής σημασίας επειδή εάν το αποτέλεσμα αντέχει σε έλεγχο που να βασίζεται σε ένα ευρύ φάσμα δεδομένων, τότε λύσαμε το πρόβλημα του λιθίου.

Ψάχνοντας για το λίθιο-6

Ένας άλλος τρόπος για να προσδιοριστεί η ποσότητα του λιθίου-7 που καταστρέφεται στα άστρα είναι να παρατηρήσουμε τα άλλα ισότοπα του λιθίου, τα λιγότερο σταθερά, το λίθιο-6. Το λίθιο-6 δεν φτιάχνεται σε ανιχνεύσιμες ποσότητες από τη BBN αλλά, αντίθετα, προέρχεται από συγκρούσεις μεταξύ των πυρήνων στις κοσμικές ακτίνες και στο διαστρικό αέριο. Επειδή το λίθιο-6 είναι ακόμη πιο εύκολα να καταστραφεί (διασπαστεί) από το λίθιο-7, ο εντοπισμός του μας επιτρέπει να θέσουμε όρια για την καταστροφή του λιθίου-7.

Το 2006, ο Martin Asplund στο Παρατηρητήριο του Mount Stromlo στην Αυστραλία έκανε εκτεταμένες παρατηρήσεις του λιθίου-6 σε άστρα με πλάτωμα Spite χρησιμοποιώντας το VLT. Στο καθένα από τα εννέα άστρα όπου βρέθηκε λίθιο-6, περίπου το 5% του συνολικού λιθίου αποτελείτο από το ισότοπο λίθιο-6 - που ήταν μεγαλύτερο από αυτό που αναμενόταν (αν και ήταν στο όριο με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε). Το γεγονός αυτό έχει τεράστιες επιπτώσεις όχι μόνο για τη BBN, αλλά και για την ιστορία των κοσμικών ακτίνων στον Γαλαξία μας και για την αστρική αστροφυσική. Για παράδειγμα, η παραγωγή τέτοιων μεγάλων ποσών του λιθίου-6 πρέπει να απαιτεί μια τεράστια ροή κοσμικών ακτίνων πολύ νωρίς στην ιστορία του Γαλαξία μας, ίσως περισσότερο απ' ό,τι θα μπορούσαν να είχαν παρασχεθεί από τους γνωστούς μηχανισμούς επιτάχυνσης των σωματιδίων. Επιπλέον, αν τα άστρα με πλάτωμα έχουν πραγματικά καταστρέψει αρκετό λίθιο-7 για να φέρει την πρόβλεψη της αποστολής WMAP για τη μέση βαρυονική πυκνότητα, σε συμφωνία με αυτό που παρατηρήθηκε στα άστρα με πλάτωμα Spite, η μεγαλύτερη ευκολία καταστροφής του λιθίου-6 συνεπάγεται ότι τα άστρα αρχικά είχαν λίθιο-6 σε ποσότητες συγκρίσιμες με τις παρατηρούμενες στο πλάτωμα του λιθίου-7.

Όλα αυτά τα γεγονότα κάνουν τις παρατηρήσεις του λιθίου-6 να μην ταιριάζει ατυχώς με τη BBN, την αστρική Φυσική και τα μοντέλα της πυρηνοσύνθεσης των κοσμικών ακτίνων - ιδιαίτερα επειδή η παραγωγή μεγάλων ποσών του λιθίου-6 μέσω των κοσμικών ακτίνων, πρέπει να συνοδεύεται από ανάλογη παραγωγή του λιθίου -7. Αν και το λίθιο-6 μπορεί να παραχθεί σε κάποια σενάρια της εξωτικής σωματιδιακής φυσικής, που αναφέρθηκαν παραπάνω, είναι ζωτικής σημασίας ότι μια ομάδα υπό τον Kenneth Nollett επιβεβαίωσε με ανεξάρτητο τρόπο τα αποτελέσματα του Asplund για το λίθιο-6. Πράγματι, το κυνήγι για το πρωταρχικό λίθιο (και για τα δύο ισότοπα) είναι σε εξέλιξη επί του παρόντος στο VLT, καθώς και στο παρατηρητήριο Keck και το ιαπωνικό τηλεσκόπιο Subaru, και τα δύο στη Χαβάη. Μολονότι οι εν λόγω παρατηρήσεις έχουν δίκιο στα όρια του τι μπορεί να επιτευχθεί με αυτά τα μέσα, το αντίτιμο θα μπορούσε να είναι τεράστιο: αν τα αποτελέσματα του λίθιου-6 στέκουν, θα απαιτηθεί μια εκτεταμένη επανεξέταση του τι νομίζουμε ότι ξέρουμε σχετικά με τα άστρα, τις κοσμικές ακτίνες και την BBN.

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang Μέρος 2ο

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang
Μέρος 2ο

Πίσω στον χρόνο

Η πρώτη έκδοση της θεωρίας BBN προτάθηκε από τους George Gamow και Ralph Alpher τη δεκαετία του 1940, σε μια προσπάθεια τους να εξηγήσουν την προέλευση όλων των χημικών στοιχείων. Αυτοί υπέθεσαν ότι το πρώιμο σύμπαν ήταν πολύ ζεστό και γεμάτο από νετρόνια: οι πυρήνες τότε σχηματίζονται από τη σύλληψη νετρονίων, ένα κάθε φορά, με τον τυχαίο παραγόμενο πυρήνα να υποβάλλεται σε μια βήτα διάσπαση για την παραγωγή ενός πυρήνα με υψηλότερο ατομικό αριθμό κατά 1 συν ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο (δείτε το σχήμα 1). Καθώς οι πιθανότητες για πολλές από αυτές τις αντιδράσεις δεν ήταν τότε γνωστές - κάποιες μάλιστα από αυτές είχαν κρατηθεί μυστικό, λόγω της συνάφειάς τους με την έρευνα των πυρηνικών όπλων - οι Gamow και Alpher έπρεπε να μαντέψουν πολλές από τις ενεργές διατομές τους. Με τον τρόπο αυτό, ωστόσο, το ζεύγος των φυσικών έκανε την εξαιρετικά αισιόδοξη υπόθεση ότι κάποια, τότε άγνωστη βέβαια, διαδικασία θα έχει αρκετά υψηλή πιθανότητα να δημιουργήσει πυρήνες μεγαλύτερους από το ήλιο-4 - παρά το γεγονός ότι δεν υπάρχει σταθερός πυρήνας με μάζα ίση με πέντε.

Οι υπολογισμοί των Gamow και Alpher ταίριαξαν καλά με αυτό που παρατηρείται στο ηλιακό μας σύστημα, όπου οι αναλογίες των πυρήνων μειώνονται σε συνάρτηση με την ατομική μάζα. Επιπλέον, ο Alpher και οι συνάδελφοι του πρόβλεψαν την ύπαρξη και τη θερμοκρασία της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου συνειδητοποιώντας ότι ένα καυτό αέριο φωτονίων θα ήταν παρόν κατά τη διάρκεια της BBN. Το μήκος κύματος εκείνων των φωτονίων, υποστήριξαν ορθώς οι ερευνητές, θα είχε αυξηθεί σήμερα - λόγω της διαστολής του χώρου - προς στην περιοχή των μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Αυτή η πρώιμη έκδοση της BBN τελικά περιλαμβάνει τις περισσότερες από τις πτυχές της σύγχρονης θεωρίας της BBN, όπως ο ρόλος των ασθενών αλληλεπιδράσεων και η εξάρτηση της αναλογίας των πυρήνων με την πυκνότητα των βαρυονίων. Σαν μοντέλο για την προέλευση όλων των στοιχείων, ωστόσο, κατέληξε σε ένα αδιέξοδο στις αρχές της δεκαετίας του 1950 όταν οι ερευνητές αναγνώρισαν ότι μια πλήρως αρθρωτή έκδοση αυτής της θεωρίας ήταν καταδικασμένη να κάνει πολύ ήλιο-4, αλλά όχι τόσο πολλύ. Στη συνέχεια, το 1957 αυτή θάφτηκε για τα καλά, όταν ο Alastair Cameron και Fred Hoyle, μεταξύ των άλλων, έδειξαν ότι σχεδόν το σύνολο των χημικών στοιχείων είχε, στην πραγματικότητα, συντεθεί μέσα στα άστρα.

Το 1964, ωστόσο, οι Hoyle και Roger Tayler έδειξε ότι η BBN προβλέπει μία απλούστερη εξήγηση για τη μεγάλη αναλογία που παρατηρείται σήμερα του ηλίου-4, αντίθετα από ό,τι έδειξαν οι Cameron και Hoyle με την αστρική τους εξήγηση, δεδομένου ότι η τελευταία απαιτεί την ύπαρξη ενός γιγαντιαίου πληθυσμού άστρων που σήμερα έχουν πλέον εξαφανιστεί. Όταν η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία ανακαλύφθηκε το επόμενο έτος, ήταν αμέσως σαφές ότι το μοντέλο Big Bang ήταν σωστό και ότι η BBN θα πρέπει, συνεπώς, να έχει λάβει χώρα στις καυτές συνθήκες των πρώτων λίγων λεπτών.

Ο Jim Peebles του Πανεπιστημίου του Princeton απάντησε σε αυτή την ανακάλυψη, εκτελώντας το πρώτο "μοντέρνο" υπολογισμό της BBN με τη χρήση ρυθμών πυρηνικής αντίδρασης που γνώριζαν τότε καλύτερα σε σχέση με την εποχή του Gamow. Παρόλο που οι γνώσεις μας για εκείνες τις τιμές έχουν βελτιωθεί από τότε, η βασική κατανόηση της BBN παραμένει η ίδια.

Η ισχύς της BBN σαν ένα παράθυρο στο πρώιμο σύμπαν αναγνωρίστηκε στη δεκαετία του 1970. Την εποχή εκείνη αρκετοί αστροφυσικοί, συμπεριλαμβανομένων Hubert Reeves στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής στο Παρίσι και Johannes Geiss, στο Διαστημικό Ινστιτούτο στη Βέρνη, συνειδητοποίησαν ότι επειδή η ποσότητα του δευτερίου που παράγεται στην BBN εξαρτάται πολύ από τη μέση πυκνότητα των βαρυονίων στο σύμπαν, θα μπορούσαμε να μάθουμε αρκετά για το σύμπαν στις μεγαλύτερες κλίμακες μετρώντας την ποσότητα του δευτερίου που ήταν πολύ κοντά σε μας. Μέσα στα επόμενα χρόνια, έγιναν αρκετές μετρήσεις της ποσότητας του δευτερίου στο Γαλαξία μας έθεσε ένα ανώτατο όριο στην πυκνότητα των βαρυονίων της τάξης του 4 × 10^–31 g/cm³.

Στη συνέχεια, το 1977, οι Gary Steigman του πανεπιστημίου του Ohio, James Gunn του Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, και David Schramm του Πανεπιστημίου του Σικάγου έδειξαν ότι η BBN θα μπορούσε να περιορίσει τον αριθμό των διαφορετικών τύπων νετρίνων που υπάρχουν στη φύση (σήμερα γνωρίζουμε ότι υπάρχουν τρία είδη νετρίνων: του ηλεκτρονίου, του μιονίου και του ταυ). Κάθε πρόσθετο είδος νετρίνου, όπως ισχυρίστηκαν, θα είχε αυξήσει την πυκνότητα του πρώιμου σύμπαντος και θα είχε επεκταθεί με ταχύτερους ρυθμούς, αλλάζοντας έτσι τη δυναμική που καθορίζει την αναλογία των νετρονίων προς τα πρωτόνια, κατά την έναρξη της BBN, ευνοώντας τη δημιουργία περισσότερων νετρονίων. Αυτό με τη σειρά του θα οδηγούσε σε περισσότερο ήλιο-4. Σε μια εποχή που οι εργαστηριακές μετρήσεις πρότειναν ότι ενδεχομένως να υπάρχουν χιλιάδες είδη νετρίνων (αν και οι περισσότεροι φυσικοί σωματιδίων δεν πιστεύουν πραγματικά ότι υπήρχαν πολλά), ο Steigman και οι συνεργάτες του ήταν σε θέση να ισχυριστούν ότι δεν υπήρχαν περισσότερα από τέσσερα νετρίνα. Αυτή ήταν μια τεράστια επιτυχία για τη θεωρία της BBN και συνέβαλαν έτσι σε μια αυξημένη ευαισθητοποίηση των στενών δεσμών μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας.

Το 1982 οι αστροφυσικοί είχαν μια καλή εκτίμηση της πρωταρχικής ποσότητας του ηλίου-4, καθώς και τα όρια όσον αφορά τις ποσότητες του ηλίου-3 και του δευτερίου. Στη συνέχεια οι François και Monique Spite στο Observatoire de Paris, ανακάλυψαν ότι ορισμένα παλιά άστρα στο Γαλαξία μας (του Spite-plateau όπως λέγονται) περιέχουν περίπου την ίδια ποσότητα λιθίου-7. Επειδή οι φασματοσκοπικές μετρήσεις δείχνουν ότι αυτά τα άστρα (ονομάζονται άστρα με το πλάτωμα Spite, από το όνομα αυτών που τα ανακάλυψαν) περιέχουν πολύ μικρές μόνο ποσότητες πυρήνων που είχαν δημιουργηθεί σε προηγούμενα υπάρχοντα άστρα, τα άστρα αυτά πρέπει να έχουν σχηματιστεί από σχεδόν πρωταρχικό φυσικό αέριο. Αυτό σήμαινε ότι η ποσότητα του λιθίου-7 στα άστρα (με το πλάτωμα Spite) θα μπορούσε να ερμηνευτεί ως η ποσότητα του λιθίου-7 που συντέθηκε κατά τη διάρκεια της BBN.

Παρακολουθώντας τις αναλογίες των ελαφρών στοιχείων

Αριστερά: Για να ελέγξουμε αν η πυρηνοσύνθεση στο Big Bang (BBN) είναι η ορθή περιγραφή του πρώιμου σύμπαντος, πρέπει να μετρήσουμε πόσα από αυτά τα στοιχεία παρουσιάζονται σε δείγματα που μπορούμε να παρατηρήσουμε σήμερα. Αστρονόμοι προσδιορίζουν την σχετική αναλογία των στοιχείων σε ένα μακρινό αντικείμενο (πχ σε ένα κβάζαρ) παρατηρώντας τις φασματικές γραμμές εκπομπής τους ή τις γραμμές απορρόφησης του φωτός τους σε ορισμένα μήκη κύματος, που αντιστοιχούν στις φασματικές γραμμές των στοιχείων.
Για να γίνει αυτό απαιτείται η εξεύρεση ενός τόπου, όπου η σύνθεση του αερίου δεν έχει αλλάξει και πολύ από την εποχή της BBN, αλλά και κάπου όπου οι φυσικές συνθήκες είναι ευνοϊκές για το σχηματισμό των φασματικών γραμμών που παρατηρούνται.
Η τελευταία αυτή προϋπόθεση σημαίνει ότι δεν μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια δύο πρωταρχικές ποσότητες σε ένα τόπο ή αντικείμενο. Το ήλιο, για παράδειγμα, υπολογίζεται κοιτάζοντας το φως από μικρούς και ανώμαλους "μπλε συμπαγείς γαλαξίες", ενώ η ποσότητα του λιθίου συνάγεται από πολύ παλιά αντικείμενα στο Γαλαξία μας που ονομάζονται αστέρια "Spite-plateau" (δείτε το 4ο μέρος για την εξήγηση του) , τα οποία σχηματίζονται από σχεδόν πολύ πρωταρχικό παλιό αέριο της εποχής του Big Bang. Η αναλογία του δευτερίου, από την άλλη, καθορίζεται εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο το φως από μακρινά κβάζαρ απορροφάται από ένα διάχυτο νέφος που βρίσκεται ανάμεσα σε μας και το κβάζαρ.

Οι μετρήσεις των ποσοτήτων των ελαφρών στοιχείων προχώρησαν και μέχρι το 2000 έδιναν μια μέση βαρυονική πυκνότητα 2 × 10^–31 g/cm³, συν ή πλην ένα συντελεστή τρία. Οι μετρήσεις του δευτερίου στις μακρινές συγκεντρώσεις του αερίου που βρίσκεται μεταξύ της Γης και των μακρινών κβάζαρ έδιναν μια μέση πυκνότητα βαρυονίων της τάξης του 4 × 10^–31 g/cm³, ενώ η πιο απλή ερμηνεία του λιθίου στο πλάτωμα και κάποια από τα δεδομένα του ηλίου-4 ευνοούσαν τιμές πλησιέστερα στο 1 × 10^–31 g/cm³. Όσο για την πρωταρχική ποσότητα του ηλίου-3, η μετά-BBN ιστορία αυτών των πυρήνων δυσκολεύει στον περιορισμό της μέσης πυκνότητας των βαρυονίων. Αυτή η δυσαρμονία προκάλεσε ένα δραστήριο ερευνητικό πρόγραμμα από αρκετές ομάδες σε μια προσπάθεια να βελτιώσουν τις μετρήσεις και να επιλύσουν τις διαφορές που απομένουν.

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, που γινόταν έντονη συζήτηση πάνω στο τι να κάνουν με τις διάφορες μετρήσεις των ποσοτήτων, η BBN δεν ήταν πια ο μόνος τρόπος για να προσδιορίσουν τη μέση βαρυονική πυκνότητα του σύμπαντος. Το 1992 ο δορυφόρος COBE αποκάλυψε ότι η θερμοκρασία της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας κυμαίνεται κατά μερικές δεκάδες μικρο-Κέλβιν για γωνιακές κλίμακες των 5° ή ακόμα περισσότερο, δίνοντας έτσι στοιχεία για τις διακυμάνσεις της πυκνότητας κατά τις αρχές του σύμπαντος, που μπορεί να έχουν 'σπείρει' κοσμική δομή.

Στη συνέχεια, το 2000 τα πειράματα BOOMERANG και MAXIMA εντόπισαν διακυμάνσεις σε γωνιακές κλίμακες μικρότερες από 1°. Μια βασική πρόβλεψη της θεωρίας του Big Bang είναι ότι αυτές οι διακυμάνσεις είναι τα αποτυπώματα που άφησαν τα ακουστικά κύματα που διαδίδονταν μέσα στο πλάσμα, μόλις πριν τα ουδέτερα άτομα υδρογόνα σχηματιστούν για πρώτη φορά, 380.000 χρόνια μετά την BBN, όταν γεννήθηκε η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου . Και επειδή οι ιδιότητες του πλάσματος εξαρτώνται από την πυκνότητα των βαρυονίων, τα πλάτη αυτών των διακυμάνσεων προσφέρουν την πρώτη ισχυρή ανεξάρτητη διασταύρωση πληροφοριών για την πυκνότητα των βαρυονίων όπως προβλέπεται από την BBN.

Τα αρχικά αποτελέσματα των BOOMERANG και MAXIMA ευνοούσαν μια μεγαλύτερη πυκνότητα βαρυονίων από ό,τι έδινε η τιμή της BBN: (6,0 ± 2.0) × 10^–31 g/cm³. Ωστόσο, σε συνδυασμό με τα πιο πρόσφατα στοιχεία από το πείραμα Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) - που μέτρησε τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις σε κλίμακες κάτω από 0,3° - η τρέχουσα πιο ακριβής τιμή είναι (4,1 ± 0.1) × 10^–31 g/cm³. Ενώ αυτή η ανεξάρτητη μέτρηση ορίζει μια συνεχιζόμενη συζήτηση εντός της κοινότητας της BBN για την τιμή της βαρυονικής πυκνότητας, αυτή έφερε το θέμα της συστηματικής αβεβαιότητες στην BBN με μεγαλύτερη έμφαση.

Απολογισμός για τα δεδομένα

Για παράδειγμα, η βαρυονική πυκνότητα που έχει συναχθεί από τα δεδομένα της αποστολής WMAP και από τις μετρήσεις του πρωταρχικού δευτέριου συμφωνούν αρκετά καλά. Όμως, η ποσότητα του πρωταρχικού δευτερίου έχει μετρηθεί μόνο σε οκτώ θέσεις μέχρι τώρα. Αν και τα αποτελέσματα βρίσκονται γύρω από την τιμή του 3 × 10^–5 ανά άτομο υδρογόνου, υπάρχει μεγάλη διαφορά από τόπο σε τόπο, κάτι που δεν το περιμένει κανείς από τη BBN γιατί θα πρέπει η αναλογία του δευτερίου να έχει παντού την ίδια τιμή, σύμφωνα με τη θεωρία του Big Bang. Θα πρέπει ίσως να έχουμε περισσότερα δεδομένα για να κατανοήσουμε τη μικρή αυτή ασυμφωνία, αλλά αυτό είναι πιο εύκολο στα λόγια παρά στην πράξη, διότι ο μόνος τρόπος για να εντοπιστεί και να μετρηθεί η αναλογία του πρωταρχικού δευτέριου είναι να κάνουμε παρατηρήσεις τεράστιου χρόνου με τα μεγαλύτερα στον κόσμο τηλεσκόπια.

Υπάρχουν παρόμοιες διαφοροποιήσεις μεταξύ της θεωρία BBN και της αναλογίας του πρωταρχική ηλίου-4. Σε αντίθεση με την αναλογία του δευτέριου, η ποσότητα του ηλίου-4 που παράγεται στο μοντέλο BBN αυξάνει πολύ αργά σαν συνάρτηση της μέσης βαρυονικής πυκνότητας του σύμπαντος, που σημαίνει ότι πρέπει να μετράται με ακρίβεια λίγων τοις εκατό μόνο για να είναι χρήσιμες για τις μελέτες της BBN. Για να γίνει αυτό, οι αστρονόμοι μελετούν τη φωτεινότητα ορισμένων φασματικών γραμμών που εκπέμπονται από άτομα σε ένα πλάσμα σε ένα μακρινό γαλαξία, κι έτσι μπορούν να αποκομίσουν ένα συνεκτικό σύνολο παραμέτρων, που χαρακτηρίζουν το πλάσμα. Διαφορετικές ερευνητικές ομάδες έχουν χρησιμοποιήσει ελαφρώς διαφορετικά σύνολα γραμμών για να καθορίσουν αυτές τις παραμέτρους, και χειρίζονται δεδομένα με διαφορετικούς τρόπους. Είναι κάπως ανησυχητικό, που διάφορες ομάδες έχουν δώσει αντικρουόμενα αποτελέσματα.

Ωστόσο, είναι πιθανό ότι οι αβεβαιότητες των προσεγγίσεων να έχουν υποτιμηθεί και ότι η διαφορά να βρίσκεται στις μικρές διορθώσεις που έγιναν, όπως είναι το πόσο φως σκεδάζεται από τη σκόνη μεταξύ της Γης και του πλάσματος. Και πάλι, μπορεί να είναι απαραίτητες πιο ακριβείς παρατηρήσεις, ή ίσως θα απαιτηθεί μια ριζική αλλαγή της προσέγγισης για την εξεύρεση λύσης με την οποία όλοι θα μπορούμε να συμφωνήσουμε.

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang

Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang
Μέρος 1ο

Οι μετρήσεις της ποσότητας του λιθίου στο σύμπαν σε συνδυασμό με ακριβή δεδομένα από την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου αποτελούν μια πρόκληση για την κατανόηση τόσο της αστρικής αστροφυσικής και πιθανώς ακόμη και της ίδιας της πυρηνοσύνθεσης κατά το Big Bang (BBN) όπως εξηγείται παρακάτω.

Η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang έγινε στα πρώτα 3 λεπτά της ιστορίας του Κόσμου και είναι υπεύθυνη κατά μεγάλο μέρος για τις αναλογίες του υδρογόνου, του δευτέριου), του ηλίου-3, και του ηλίου-4, στο σύμπαν. Παρόλο που το ήλιο-4 εξακολουθεί να παράγεται και από άλλους μηχανισμούς (όπως στις συντήξεις μέσα στα άστρα και στην άλφα διάσπαση) και ίχνη υδρογόνου παράγονται από βομβαρδισμούς και ορισμένα είδη ραδιενεργών διασπάσεων (εκπομπή πρωτονίων και νετρονίων), το μεγαλύτερο μέρος της μάζας αυτών των ισοτόπων στο σύμπαν, αλλά και όλα τα ασήμαντα ίχνη από το δευτέριο και το ήλιο-3 στο σύμπαν, που παράγονται από σπάνιες διαδικασίες, θεωρούνται ότι έχουν παραχθεί κατά το Big Bang.

Οι πυρήνες των ελαφρών αυτών στοιχείων, μαζί με κάποιες ποσότητες λιθίου-7 και βηρυλλίου-7, πιστεύεται ότι έχουν σχηματιστεί όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας μεταξύ 100 και 300 δευτερολέπτων, μόλις το πρωταρχικό πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων πάγωσε για να σχηματίσει πρωτόνια και νετρόνια. Λόγω της πολύ μικρής χρονικής περιόδου κατά την οποία έγινε η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang, προτού αυτή σταματήσει λόγω της διαστολής και της ψύξης, κανένα στοιχείο βαρύτερο από το λίθιο δεν θα μπορούσε να σχηματιστεί. Το γεγονός ότι τα στοιχεία αυτά έγιναν γύρω από την αρχή του χρόνου είναι σίγουρα ένα από τα πιο συναρπαστικά γεγονότα στην αστροφυσική.

Από την άλλη, τα βαρύτερα στοιχεία όπως είναι το άζωτο και το οξυγόνο που αναπνέουμε, ο άνθρακας που σχηματίζει όλες τις οργανικές ενώσεις και καθιστά έτσι δυνατή τη βιοχημεία, καθώς και το ασβέστιο στα οστά μας έχουν μια εντυπωσιακή κοινή ιδιότητα: έχουν όλα παραχθεί μέσα στα πολύ παλιά άστρα, που τώρα δεν υπάρχουν πια. Μάλιστα, το ίδιο ισχύει και για το σύνολο σχεδόν των χημικών στοιχείων που συναντούμε στη καθημερινή ζωή, από τα πλέον σπάνια αέρια έως τα βαρύτερα μέταλλα.

Η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang (BBN) ξεκίνησε όταν το σύμπαν είχε ψυχθεί επαρκώς ώστε τα πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία μόλις είχαν σχηματιστεί από το πρωταρχικό πλάσμα, ήταν σε θέση να συνδεθούν σε πυρήνες δευτερίου. Το δευτέριο, στη συνέχεια υπέστη περαιτέρω πυρηνικές αντιδράσεις οπότε σχηματίστηκαν πυρήνες ηλίου-4 (που ο κάθε ένας περιέχει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια), μαζί με μικροσκοπικές ποσότητες δευτερίου, ηλίου-3 και λιθίου-7. Μάλιστα, μέχρι το τέλος της BBN (δηλαδή σε περίοδο λίγων λεπτών) το 1/4 της συνήθους ύλης στο Σύμπαν είχε μετατραπεί σε ήλιο-4, ενώ όλη ή άλλη ύλη - εκτός ενός μικροσκοπικού κλάσματος - έμεινε στη μορφή του υδρογόνου.

Όπως περιγράφεται από τον Αϊνστάιν στη γενική θεωρία της σχετικότητας, ο ρυθμός διαστολής εξαρτάται από την ποσότητα της μάζας και ενέργειας που περιέχει το σύμπαν περιέχει, γι αυτό κι έχει μεγάλη σημασία η ποσότητα της ύλης στο σύμπαν, άρα και των στοιχείων κατά την BBN.

Το μοντέλο της πυρηνοσύνθεσης κατά το Big Bang μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την ολική βαρυονική πυκνότητα στο σύμπαν από κάθε ελαφρό στοιχείο : από το δευτέριο, από το ήλιο-3, από το ήλιο-4 και από το λίθιο-7. Μετρώντας λοιπόν τις αναλογίες (ποσότητες) των ελαφρών στοιχείων σήμερα , οι αστρονόμοι μπορούν να συμπεράνουν τα γεγονότα που συνέβησαν όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας λίγων λεπτών μόνο.

Επειδή, οι μετρήσεις της ποσότητας του ηλίου-4 στο σύμπαν, όπως μετρήθηκε κατά τη δεκαετία του 1990 από ανεξάρτητες ομάδες, δεν συμφωνούν με τους υπολογισμούς της BBN, αυτό πιθανώς δείχνει ότι έχουν υποτιμηθεί κάποιες αβεβαιότητες στις μετρήσεις. Η ποσότητα του δευτερίου μετρήθηκε σε οκτώ διαφορετικές τοποθεσίες, και επίσης διαφέρει σε κάποιο βαθμό με την BBN,, ενώ οι μετρήσεις του πρωταρχικού ηλίου-3 στο πρώιμο σύμπαν είναι πολύ δύσκολο να περιορίσουν την πυκνότητα των βαρυονίων. Τέλος, η μετρούμενη ποσότητα του λιθίου υπονοεί μια βαρυονική πυκνότητα που είναι σε σύγκρουση με τον ανεξάρτητο καθορισμό όπως μετρήθηκε από την αποστολή WMAP, αν και η διαφορά αυτή θα μπορούσε να προκύψει από κάποια άγνωστη αστροφυσική διαδικασία.

Πως λειτούργησε η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang

Σχήμα 1

Πριν τη BBN - όταν το σύμπαν ήταν μικρότερο από 1 δευτερόλεπτο - η ύλη και η ενέργεια υπήρχε με τη μορφή του θερμού, και πυκνού αερίου από θεμελιώδη σωματίδια. Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, γεμίζουν το σύμπαν σωματίδια με ολοένα μικρότερη ενέργεια, έτσι ώστε μετά από 1 s μόνο βρίσκουμε πρωτόνια, νετρόνια και ελαφρύτερα σταθερά σωματίδια. Ασθενείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων και των πολύ ελαφρύτερων ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων και νετρίνων διατήρησε τη θερμική ισορροπία, που σταθεροποίησε το σχετικό αριθμό των πρωτονίων και νετρονίων σε μια συγκεκριμένη τιμή. Μετά από αυτό, η θερμοκρασία του αερίου μειώθηκε σε περίπου 8 δισ, Κέλβιν, μποδίζοντας έτσι την περαιτέρω ασθενή αλληλεπίδραση. Από αυτή τη στιγμή και μετά, παρέμεινε ένα νετρόνιο για κάθε έξι πρωτόνια (δηλαδή πυρήνες υδρογόνου, ¹H).

Κατά τα επόμενα λίγα λεπτά, σχηματίζονται κι άλλοι πυρήνες. Οι πυρήνες δευτερίου (²H) παρήχθησαν από συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων, ενώ περαιτέρω πυρηνικές συγκρούσεις οδήγησαν το κάθε νετρόνιο σε μπλοκάρισμα ενός πρωτονίου για να σχηματίσουν τον πιο ελαφρύ σφικτό πυρήνα: του ηλίου-4. Η διαδικασία αυτή ολοκληρώθηκε μετά από περίπου πέντε λεπτά, όταν το σύμπαν ήταν πολύ ψυχρό για να συνεχιστούν οι πυρηνικές αντιδράσεις. Είχαν δε παραχθεί και μικροσκοπικά ποσά δευτερίου, ηλίου-3 και βηρυλλίου-7 ως υποπροϊόντα, με το τελευταίο να υποστεί βήτα διάσπαση σχηματίζοντας λίθιο-7. Σχεδόν όλα τα πρωτόνια που δεν είχαν ενσωματωθεί στους πυρήνες ηλίου-4 παρέμεινε ως ελεύθερα σωματίδια, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το Σύμπαν περιέχει κοντά στο 25% ήλιο και στο 75% υδρογόνο, παντού όπου βλέπουμε. Οι άλλοι πυρήνες είναι λιγότεροι κατά πολλές τάξεις μεγέθους.

Με τη μέτρηση της έντασης των φασματικών γραμμών στα φάσματα των αστροφυσικών αντικειμένων, οι αστρονόμοι μπορούν να συμπεράνουν τον αριθμό των πυρήνων ενός συγκεκριμένου τύπου για κάθε πυρήνα υδρογόνου. Αυτή η αφθονία των πυρήνων που δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια της BBN εξαρτάται από την πυκνότητα της ύλης (ή πυκνότητα βαρυονίων) κατά τη διάρκεια αυτών των πρώτων λίγων λεπτών, που μπορεί να σχετίζεται άμεσα με την πυκνότητα των βαρυονίων που βλέπουμε σήμερα. Οποιαδήποτε επίδραση ή φαινόμενο που άλλαξε την πρώιμη θερμική εξέλιξη του σύμπαντος ή τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πυρήνων θα έχει αφήσει ίχνη πάνω στην ποσότητα των στοιχείων, πράγμα που σημαίνει ότι η BBN είναι ένας σημαντικός δέκτης του πρώιμου σύμπαντος.

Αν υποθέσουμε ότι ήταν παρόντα κατά τη διάρκεια της BBN μόνο τα σωματίδια και οι δυνάμεις που περιέχονται στο Στάνταρτ Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, τότε η πυκνότητα των βαρυονίων όπως μετρήθηκε από την αποστολή WMAP της NASA (και επιβεβαιώνεται από την αναλογία του δευτερίου), καθορίζει την αρχική χημική σύνθεση του σύμπαντος: η πλειοψηφία είναι υδρογόνο, με περίπου ανά 1 άτομο υδρογόνου να έχουμε 0,08 άτομα ηλίου-4, 10^–5 άτομα δευτερίου, 10^–5 άτομα ηλίου-3 και 10^–10 άτομα λιθίου. Πέραν αυτών δεν έχει ανιχνευτεί οποιαδήποτε ποσότητα οτιδήποτε άλλου στοιχείου. Όλα τα άλλα στοιχεία που συνθέτουν τον κόσμο ήρθαν πολύ αργότερα μέσα στα άστρα ή στις συγκρούσεις της κοσμικής ακτινοβολίας.

Δεδομένου ότι η ποσότητα αυτών των πυρήνων που παράγονται εξαρτάται από την θερμοκρασία και την πυκνότητα του σύμπαντος, όταν αυτό ήταν ηλικίας μόλις λίγων λεπτών, μπορούμε να χειριστούμε την πρώιμη εξέλιξη μετρώντας την σχετική ποσότητα τους σήμερα. Ειδικότερα, τα μοντέλα της BBN προσφέρουν μια εκτίμηση της μέσης βαρυονικής πυκνότητας του σύμπαντος, η οποία αποτελεί μια θεμελιώδη παράμετρο για την κοσμολογία. Γνωρίζουμε από μετρήσεις της κίνησης των γαλαξιών ότι η συνολική πυκνότητα της μάζας του σύμπαντος είναι εξαπλάσια της πυκνότητας των βαρυονίων, όπως έχει συναχθεί από τη BBN, κάτι που δηλώνει σαφώς ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν δεν είναι κατασκευασμένα από απλά βαρυονικά υλικά, που περιέχουν πρωτόνια και νετρόνια, αλλά από κάτι πιο μυστηριώδης που ονομάζεται σκοτεινή ύλη.

Τέτοιες διαφωνίες μεταξύ της BBN και του πειράματος θα μπορούσε επίσης να κρύβουν νέες φυσικές διεργασίες που ενδέχεται να ήταν ενεργές κατά τη διάρκεια της πυρηνοσύνθεσης. Για παράδειγμα, αν θεμελιώδη σωματίδια που δεν έχουν ποτέ φανεί στο εργαστήριο ήταν παρόντα στις αρχές του σύμπαντος, τότε τα αποτελέσματά τους μπορεί να είναι διακριτά στην αναλογία των στοιχείων που παρατηρούμε σήμερα. Για τους λόγους αυτούς, η BBN είναι ζωτικής σημασίας για τις μελέτες όλης της δομής του Σύμπαντος, την ιστορία της ύλης, από το Big Bang, και την στενή σύνδεση μεταξύ της φυσικής των σωματιδίων και την κοσμολογία.

Παρά την επιτυχία της στον καθορισμό της βαρυονικής πυκνότητας του σύμπαντος και στην εξήγηση της μεγάλης αναλογίας του ηλίου που παρατηρούμε, η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang (BBN) εξακολουθεί να αντιμετωπίζει σοβαρές προκλήσεις. Οι πρόσφατες μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας, η οποία αποκαλύπτει το Σύμπαν όπως ήταν όταν σχηματίστηκαν τα άτομα, περίπου, 380.000 χρόνια μετά το Big Bang, και της μεγάλης κλίμακας κατανομής των γαλαξιών έχει αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό η ακρίβεια των κοσμολογικών δεδομένων. Μέχρι στιγμής φαίνεται ότι η παρατηρούμενη αρχική αναλογία των στοιχείων - ιδίως εκείνη του λιθίου - δεν συμπίπτουν απόλυτα με την θεωρία BBN. Ο στόχος τώρα είναι να κάνουμε τη BBN να συμφωνεί με τις νέες ακριβείς μετρήσεις της κοσμολογίας, και να κατανοήσουμε καλύτερα τα αστροφυσικά περιβάλλονταμ όπου παρατηρείται η πρωταρχική αναλογία των στοιχείων.

Το σημερινό τοπίο στη θεωρία χορδών

Το σημερινό τοπίο στη θεωρία χορδών
Μέρος 2ο

Επαναστάσεις υπερχορδών

Το 1984 οι Green και Schwarz προκάλεσαν την "πρώτη επανάσταση των υπερχορδών", όταν έδειξαν ότι οι κβαντομηχανικές ανωμαλίες στην θεωρία υπερχορδών εξουδετερώνονται. όταν η θεωρία ήταν διατυπωμένη στις δέκα διαστάσεις (10D) και είχε μια συγκεκριμένη ομάδα συμμετρίας, SO(32). Αυτό όχι μόνο σήμαινε ότι η θεωρία χορδών ήταν πολύ περιορισμένη και γι αυτό ήταν μια βιώσιμη φυσική θεωρία, αλλά επίσης ότι αυτή ενσωμάτωνε την συμμετρία ομάδας του Καθιερωμένου Μοντέλου. Και τελικά, η θεωρία των χορδών έγινε έτσι η πρώτη θεωρία στη φυσική που πρόβλεψε τον αριθμό των χωροχρονικών διαστάσεων.

Αμέσως η θεωρία των χορδών ξέφυγε από το περιθώριο για να μεταφερθεί στο κύριο ρεύμα της θεωρητικής φυσικής. Αλλά ώσπου να τελείωσε η επανάσταση το 1985, οι ερευνητές βρέθηκαν αντιμέτωποι με πέντε διαφορετικές θεωρίες χορδών: Τον Τύπο Ι, ο οποίος περιέχει τις ανοικτές και κλειστές χορδές και τον Τύπο ΙΙ, ο οποίος περιέχει απλώς τις κλειστές χορδές αλλά έχει δύο εκδόσεις (Α και Β) που αντανακλούν το γεγονός ότι οι δονήσεις μπορούν να ταξιδέψουν σε αντίθετες κατευθύνσεις και δύο "ετεροτικές" θεωρίες, SO(32) και E₈ × E₈, που επιτρέπουν σε διαφορετικά είδη δονήσεων να κινηθούν σε δύο δυνατές κατευθύνσεις.

Οι αρχικοί ισχυρισμοί ότι η θεωρία χορδών θα μπορούσε να δώσει μια "Θεωρία του Παντός" τώρα φαίνεται πράγματι ψευδές. Αλλά σύντομα θα πλημμυρίσουν δεδομένα στον επιταχυντή LHC, όπως και δεν έχουμε ακόμη διοχετεύσει την πλημμυρίδα των πρόσφατων θετικών εξελίξεων στην κοσμολογία, προς την θεμελιώδη φυσική. Με αρκετή τύχη, η θεωρία χορδών θα μπορούσε να γίνει μια θεωρία για κάτι.

Frank Wilczek, MIT

"Είναι σαν είχαμε ανακαλύψει πέντε διαφορετικές κλασσικές προσεγγίσεις στην ίδια υποκείμενη θεωρία χορδών, παρόμοιες με την ανακάλυψη των διαγραμμάτων του Feynman των πέντε θεωριών κβαντικών πεδίων ," λέει ο Green.

Αν και ανήσυχοι με αυτήν την έλλειψη της μίας και μόνο θεωρίας, οι θεωρητικοί των χορδών πιέστηκαν με το εξής πρόβλημα: για το πώς εφαρμόζεται η δισδιάστατη θεωρία διαταραχής στις πέντε διαφορετικές θεωρίες, καθώς επίσης για το πώς συμπαγοποιούνται οι πρόσθετες έξι διαστάσεις. Κι αυτή η προσπάθεια συνεχίστηκε και στη δεκαετία του '90, με πολλούς ερευνητές να οδηγούνται με την πεποίθηση ότι ερχόταν το τέλος της θεωρητικής φυσικής των σωματιδίων. Αλλά αν και μερικές από αυτές τις εργασίες άσκησαν σημαντική επίδραση στα καθαρά μαθηματικά - με τη μελέτη των έξι διαστάσεων (6D) χώρων "Calabi–Yau", κάνοντας έτσι τον Witten το 1990 να είναι ο πρώτος φυσικός που του απονεμήθηκε το σημαντικό βραβείο Fields Medal - η θεωρία των χορδών αρνιόταν να εξημερωθεί. Στην πραγματικότητα, παρά τα πέντε διαφορετικά κλασσικά "υπόβαθρα" της θεωρίας, οι ερευνητές αντιμετωπίζουν αυτήν την περίοδο ένα απείθαρχο "τοπίο" 10⁵⁰⁰ δυνατοτήτων, όταν αναγκάζεται η θεωρία χορδών να προσαρμοστεί στον τετραδιάστατο (4D) κόσμο μας.

"Είναι εντυπωσιακό, ότι μετά από σχεδόν 40 χρόνια, ακόμα δεν ξέρουμε ποια θεωρία χορδών είναι αληθινή," αναφωνεί ο Gross. "Από την αρχή, η θεωρία χορδών ήταν ένα σύνολο κανόνων για τις κατά προσέγγιση λύσεις σε κάποιο συνεπές κλασσικό υπόβαθρο - και αυτό είναι ακόμα." Αυτό που έχει αλλάξει, λέει ο Gross, είναι ότι οι διάφορες λύσεις είναι τώρα γνωστές πως σχετίζονται μέσω ενός ιστού μαθηματικών συνδέσεων, που λέγονται δυαδικότητες. "Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτές οι δυαδικότητες καθιστούν τη θεωρία χορδών ισοδύναμη με την κβαντική θεωρία πεδίου", αναφέρει ο Gross

Οι δυαδικότητες μεταξύ των πέντε διαφορετικών θεωριών χορδών προέκυψαν το 1995 κατά τη διάρκεια "της δεύτερης επανάστασης των υπερχορδών", και αποκάλυψαν ότι οι χορδές αντιλαμβάνονται το χωροχρόνο μάλλον διαφορετικά από τα σημειακά σωματίδια. Εκτός από το να κάνουν ορισμένους υπολογισμούς πιο εύκολους στη θεωρία των χορδών, οι δυαδικότητες αυτές επέτρεψαν στον Witten να υποθέσει ότι η θεωρία των χορδών έχει μια μοναδική, αλλά άγνωστη υποκείμενη διατύπωση στις 11D, την οποία ονόμασε "θεωρία-Μ".

Το αποτέλεσμα του Witten, που το παρουσίασε στη διάσκεψη Strings95, οδήγησε σε μια τεράστια πρόοδο για την κατανόηση του τομέα της θεωρίας χορδών της "μη διαταραχής" - δηλ. καταστάσεις όπου οι προσπάθειες να προσεγγιστεί η θεωρία ως μια σειρά ολοένα και περισσότερο σύνθετων διαγραμμάτων Feynman αποτυγχάνουν.

Τα φαινόμενα της "μη διαταραχής" είναι κρίσιμα στο να κάνουν την κβαντική θεωρία πεδίου να περιγράψει τον πραγματικό κόσμο, ιδιαίτερα στην περίπτωση της QCD. Κι αυτό επειδή η θεωρία διαταραχής εφαρμόζεται μόνο για τις βασικές, μεμονωμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ, όπου η ισχυρή δύναμη είναι σχετικά ασθενής, και όχι στα μεγαλύτερα συστήματα όπως τα πρωτόνια και άλλα αδρόνια.

Στην περίπτωση της θεωρίας χορδών, τα φαινόμενα της μη διαταραχής κρατούν το κλειδί του γιατί η υπερσυμμετρία "σπάει" στις χαμηλές ενέργειες που συναντούμε σήμερα στον κόσμο, κάτι που πρέπει να συμβαίνει προκειμένου να εξηγηθεί το γεγονός ότι κανένας δεν έχει δει ποτέ ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο. Το γεγονός αυτό είναι παρόμοιο με τον τρόπο που η ηλεκτρασθενής συμμετρία του καθιερωμένου μοντέλου πρέπει να σπάει (μέσω του μηχανισμού Higgs) κάτω από την κλίμακα του 1 TeV, προκειμένου να εξηγήσει γιατί θεωρούμε τις ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς δυνάμεις ως ξεχωριστές οντότητες. Αυτό το πλούσιο αλλά πιο μυστήριο έδαφος της θεωρίας χορδών, επίσης, ελέγχει το πώς οι πρόσθετες διαστάσεις είναι συμπαγοποιημένες, και έτσι το πώς η θεωρία των χορδών μπορεί να κάνει τις προβλέψεις που μπορούν να δοκιμαστούν σε πειράματα στον κόσμο μας των 4D.

Οι θεωρητικοί των χορδών είναι οι πρώτοι που αναγνώρισαν πως δεν έχουν καμία ιδέα με τι μοιάζουν στην πραγματικότητα οι υποκείμενες εξισώσεις της θεωρίας χορδών - ή της θεωρίας Μ. Αλλά ως ένα πλαίσιο, η θεωρία των χορδών κάνει διάφορες γενικές προβλέψεις που είναι απίθανο να εξαρτώνται από τις λεπτομέρειες αυτών των εξισώσεων. Το σημαντικότερο είναι ότι η θεωρία χορδών παρέχει μια μετρήσιμη, συνεπή κβαντική θεωρία της βαρύτητας που περιορίζεται στη γενική σχετικότητα στις μεγάλες αποστάσεις και στις χαμηλές ενέργειες. Εντούτοις, αυτός είναι επίσης και ο λόγος για τον οποίο είναι σχεδόν αδύνατο να εξεταστεί η θεωρία των χορδών άμεσα, επειδή η φυσική κλίμακα των υπερχορδών είναι το μήκος Planck.

Το μήκος Planck προέρχεται από μια απλή ανάλυση των τριών θεμελιωδών σταθερών, που οποιαδήποτε θεωρία της κβαντικής βαρύτητας πρέπει να περιλαμβάνει: Τη σταθερά βαρύτητας του Νεύτωνα, τη σταθερά του Planck και την ταχύτητα του φωτός. Η τιμή της είναι 10^–35 m, πράγμα που σημαίνει ότι για να παρατηρήσει κανείς τις χορδές άμεσα θα χρειαζόμαστε έναν επιταχυντή με μια ενέργεια 10¹⁹ GeV - 15 τάξεις μεγαλύτερη από αυτή που θα έχει ο LHC στη Γενεύη. "Ξέρουμε από τον Planck ότι η φυσική έχει αυτή τη μικροσκοπική κλίμακα, που δεν πρόκειται όμως ποτέ να έχουμε πρόσβαση άμεσα", παρατηρεί ο Joe Polchinski. "Αλλά, ευτυχώς, οι θεωρητικοί δεν αφήνουν τέτοια εμπόδια να μπαίνουν στον δρόμο τους."

Μία από τις μεγάλες επιτυχίες της θεωρίας χορδών, ως η κβαντική θεωρία της βαρύτητας, είναι η δυνατότητά της να διαμορφώνει μαύρες τρύπες, που είναι κλασσικές λύσεις της γενικής σχετικότητας, όπου τα βαρυτικά και τα κβαντικά αποτελέσματα παίζουν και τα δύο μεγάλο ρόλο. "Έχω γράψει ένα εγχειρίδιο που έχει ένα κεφάλαιο 60 σελίδων σχετικά με τις μαύρες τρύπες στη θεωρία χορδών, και αγγίζει μόνο την επιφάνεια αυτού του τεράστιου θέματος", λέει ο Schwarz.

Ειδικότερα, η θεωρία χορδών έχει οδηγήσει σε μια βαθύτερη κατανόηση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των μαύρων οπών σε μικροσκοπικό επίπεδο, και επομένως έχει βοηθήσει ώστε να επιλυθεί ένα ενδεχομένως καταστρεπτικό παράδοξο, όπως αναδύθηκε από το Stephen Hawking του πανεπιστημίου του Καίμπριτζ πριν τρεις δεκαετίες.

Το 1976, έχοντας μαζί με τον Jacob Bekenstein χρησιμοποιήσει ημικλασσικά επιχειρήματα για να δείξει ότι οι μαύρες τρύπες έχουν μια σαφώς καθορισμένη εντροπία και μπορούν επομένως να ακτινοβολήσουν, ο Hawking υποστήριξε ότι οι πληροφορίες χάνονται κατά τη διάρκεια της παραγωγής και της αποσύνθεσης μιας μαύρης τρύπας. Επειδή, οι πληροφορίες κωδικοποιούνται στις κβαντικές καταστάσεις των σωματιδίων και των πεδίων, αυτό υπονόησε ότι η κβαντομηχανική καταρρέει στην κλίμακα Planck. Εάν αυτό είναι αληθινό, τότε αυτό θα σήμαινε το θάνατο για τη θεωρία χορδών ή οποιαδήποτε άλλη κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Η θεωρία χορδών δεν ήταν κατάλληλη για να εξετάσει αυτό το πρόβλημα έως το 1995, όταν τότε ο Polchinski ανακάλυψε τη σημασία αντικειμένων που ονομάζονται D-βράνες, που ήταν γνωστά στα μαθηματικά της θεωρίας αυτής. Οι D-βράνες, αναγνώρισε ο Polchinski, είναι υπερεπιφάνειες στις οποίες όλες οι ανοικτές χορδές σταθεροποιούνται, και συναντώνται σε οποιοδήποτε αριθμό διαστάσεων που επιτρέπονται από τη θεωρία χορδών (παραδείγματος χάριν, βράνες 2D ή "δύο διαστάσεων βράνες" είναι μια βράνη στη συνηθισμένη ορολογία). Η D-βράνη έχει πάχος μηδέν αλλά μια τεράστια μάζα. Αυτό σημαίνει ότι περιτυλίγοντας πολλές από αυτές και φτιάχνοντας έναν κύκλο στις πρόσθετες διαστάσεις, τότε οι θεωρητικοί των χορδών μπορούν να φτιάξουν ένα πολύ ειδικό, αν και κάπως πλασματικό, είδος υπερσυμμετρικής μαύρης τρύπας.

Το 1996 αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στους Andrew Strominger και Cumrun Vafa του πανεπιστημίου του Χάρβαρντ να παραγάγουν ακριβώς τον ίδιο τύπο εντροπίας των Bekenstein–Hawking, που είχε βρεθεί με ημικλασσικό τρόπο 20 χρόνια νωρίτερα, μεταχειριζόμενοι απλά τις D-βράνες ως συμβατικές κβαντικές καταστάσεις και προσθέτοντας τις. Αν και η θεωρία χορδών, όπως και η γενική σχετικότητα, δεν μπορεί να ασχοληθεί άμεσα με την ιδιομορφία (ανωμαλία) στο κέντρο των μαύρων οπών, οι θεωρητικοί έχουν παραγάγει από τότε ακριβώς τον ίδιο τύπο για τα πιο ρεαλιστικά μοντέλα των μαύρων οπών - αποτελέσματα που συνέβαλαν τελικά στην αποδοχή από τον Hawking κατά το 2004 ότι είχε κάνει λάθος.

"Νομίζω, ότι μόνο ο πιο κυνικός σκεπτικιστής θα πίστευε ότι η εφαρμογή της θεωρίας χορδών στις μαύρες τρύπες, δεν έχει σημαντική συμβολή στη φυσική", πιστεύει ο Susskind.

Οι D-βράνες έχουν μετασχηματίσει επίσης τη θεωρία χορδών από μια θεωρία των απλών χορδών σε μια πλουσιότερη θεωρία που περιλαμβάνει, επίσης, κι άλλα εκτεταμένα αντικείμενα. Στους μη θεωρητικούς των χορδών, οι D-βράνες μπορεί να φαίνονται σαν αρκετά αυθαίρετες προσθήκες, αλλά αποδεικνύονται ένας ειδικός τύπος ενός γενικότερου αντικειμένου πολλών διαστάσεων, τις p-βράνες, που στα μαθηματικά ήταν ευθύς εξαρχής και είναι βασικές ώστε να κάνουν τη θεωρία χορδών μια συνεπή θεωρία. Και μόνο μετά από την επανερμηνεία των D-βρανών από τον Polchinski και την υπόθεση της θεωρίας-Μ από το Witten κατά το 1995, μεταξύ των άλλων θεωρητικών, που οι ερευνητές ήταν σε θέση να υπερβούν τις κατά προσέγγιση τεχνικές διαταραχής και να καταλάβουν αυτά τα αντικείμενα (τις βράνες δηλαδή), που είναι πιο μεγάλα από τις χορδές. Επιπρόσθετα, οι βράνες είναι τα βασικά συστατικά της θεωρίας-Μ.

Η 'θεωρία των χορδών' είναι στη ουσία ένα λάθος όνομα ανάμεσα σε δύο μέτωπα: δεν είναι ούτε μια "θεωρία", τουλάχιστον υπό την έννοια που σημαίνει συνήθως στη φυσική, ούτε βασίζεται στις χορδές.

Ο κόσμος σε μία βράνη

Μία από τις πιο άσχημες επιπτώσεις των D-βρανών, που μπορούν ακόμη και να αποκαλυφθούν στον LHC, είναι ότι θα μπορούσατε να κολληθείτε σε μια γιγάντια τέτοια βράνη αμέσως τώρα. "Εάν έχετε πίστη", λέει ο Green,, "μπορείτε να θεωρήσετε ότι ζούμε σε έναν Κόσμο βρανών τρισδιάστατο και ότι οι πρόσθετες έξι διαστάσεις μπορεί να είναι αρκετά μεγάλες για να ανιχνευτούν."

Τέτοια σενάρια "βρανό-κόσμου" προκύπτουν επειδή τα πεδία βαθμίδας του Καθιερωμένου Μοντέλου περιγράφονται από τις ανοικτές χορδές, οι οποίες είναι για πάντα αναγκασμένες να βρίσκονται πάνω στον "συμπαντικό όγκο" μιας D-βράνης, μιας τρισδιάστατης βράνης στην περίπτωσή μας. Εντούτοις, επειδή τα γκραβιτόνια ή βαρυτόνια περιγράφονται από κλειστούς βρόχους της χορδής, αυτοί οι βρόχοι είναι εξορισμένοι σε ένα υψηλής διάστασης "υπερχώρος" ή bulk (Σημείωση: bulk είναι ο πλήρης χώρος με τις n διαστάσεις, σε αντιδιαστολή με την 3-d βράνη πάνω στην οποία ζούμε εμείς και όλα τα στοιχειώδη σωματίδια του στάνταρτ μοντέλου. Είναι δηλ. ο υπερχώρος που περιέχει τον δικό μας), όπου αυτοί οι βρόχοι κινούνται γύρω και μόνο περιστασιακά έρχονται σε επαφή με τη βράνη μας.

Επιπρόσθετα, δίνοντας μια τακτοποιημένη εξήγηση το γιατί αντιλαμβανόμαστε τη βαρύτητα να είναι τόσο πολύ πιο ασθενής από τις άλλες τρεις δυνάμεις - ένα αίνιγμα στη φυσική σωματιδίων γνωστό ως πρόβλημα ιεραρχίας - τέτοιες "στρεβλωμένες" γεωμετρίες υπονοούν ότι οι πρόσθετες διαστάσεις στη θεωρία χορδών μπορεί να είναι αρκετά μεγάλες για να ανιχνευτούν. Πράγματι, οι πρόσθετες διαστάσεις θα μπορούσαν να είναι ακριβώς μπροστά από τις μύτες μας και δεν θα το ξέραμε ποτέ, δεδομένου ότι τα φωτόνια είναι για πάντα αλυσοδεμένο στη βράνη μας.

Michael Green

Το πιο άμεσο πειραματικό τεστ αυτών των πρόσθετων διαστάσεων θα ήταν να βρεθεί μια μεταβολή στο νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου της βαρύτητας, επειδή αυτός ο νόμος είναι μια άμεση συνέπεια του γεγονότος ότι το διάστημα είναι τρισδιάστατο (σε έναν 2D κόσμο, παραδείγματος χάριν, η βαρύτητα είναι απλά αντιστρόφως ανάλογη προς την απόσταση). Στην πραγματικότητα, η ανικανότητά μας να επιβεβαιώσουμε πειραματικά το νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου κάτω από μια κλίμακα περίπου 0,1 mm. είναι ο μόνος λόγος για τον οποίο τα σενάρια του βρανό-κοσμου είναι αποδεκτά σε πρώτο στάδιο.

Αλλά ακόμα κι αν οι πρόσθετες διαστάσεις ήταν 100 εκατομμύρια φορές μικρότερες από τα 0,1 χιλιοστά, που σύμφωνα με τον Green είναι ακόμα "γελοία μεγάλο", αυτό μετά θα υπονοούσε ότι η ενέργεια της κλίμακας Planck είναι πολύ χαμηλή όπως 1 TeV. Αυτό θα μεγάλωνε την κλίμακα χορδών από 10^-35 μ σε 10^-18 μέτρα μόνο, το οποίο σημαίνει ότι οι συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων υψηλής ενέργειας στον LHC μπορεί να είναι επαρκείς για να διεγείρουν υψηλότερες αρμονικές στις χορδές. Η 'αληθινή' δύναμη της βαρύτητας στις πρόσθετες διαστάσεις μπορεί ακόμη και να είναι επαρκής για να παραγάγει μίνι μαύρες τρύπες κατά χιλιάδες, που θα εξατμίζονταν σχεδόν αμέσως αποσυντιθέμενες μέσω της ακτινοβολίας Hawking.

Η Lisa Randall του πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, που μαζί με τον Raman Sundrum έχει εξετάσει πώς οι D-βράνες αλλάζουν τη γεωμετρία του χωροχρόνου, λέει ότι η ακριβής υπογραφή των πρόσθετων διαστάσεων που θα βλέπατε στον LHC εξαρτάται από το ειδικό μοντέλο των βρανών που μελετάτε. "Θα μπορούσατε να δείτε σωματίδια 'Kaluza–Klein', που είναι παρόμοια με τα σωματίδια που ήδη ξέρουμε αλλά είναι πολύ βαρύτερα, επειδή ταξιδεύουν στις πρόσθετες διαστάσεις", εξηγεί.

Αριστερά: Οι πρόσθετες έξι διαστάσεις στη θεωρία χορδών είναι συνήθως συμπαγοποιημένες στον χώρο των 6-διαστάσεων, που καλούνται πολλαπλότητες Calabi–Yau, όμως κάθε διαφορετικός τρόπος με τον οποίο μπορούν να γίνουν περιγράφει ένα σύμπαν με διαφορετικό σύνολο σωματιδίων και πεδίων.

"Στα μοντέλα μας αυτά τα σωματίδια γενικά αποσυντίθενται στον ανιχνευτή, επειδή η στρεβλωμένη γεωμετρία τους δίνει μια μεγάλη πιθανότητα αλληλεπίδρασης, αλλά θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν εξαιρετικά ασθενικά και απλά να δραπετεύσουν από τον ανιχνευτή - μην αφήνοντας κανένα ίχνος τους εκτός από την απώλεια ενέργειας." Μια παρόμοια υπογραφή θα έμεναν από τα συνηθισμένα σωματίδια που εξαφανίζονται κυριολεκτικά στις πρόσθετες διαστάσεις, αν και ο Green θεωρεί ότι οι πρόσθετες διαστάσεις είναι πολύ πάρα πολύ μικρές για να δούμε τη φυσική του βρανό-κοσμου στο LHC. "Εάν ήμουν πειραματικός, τότε αυτό θα ήταν πιθανώς η τελευταία εξήγηση για την απώλεια της ενέργειας στην οποία θα βασιζόμουν", τονίζει ο Green.

Στρέβλωση του χωροχρονικού ιστού

Το πιθανότερο, αν και με κανένα τρόπο σίγουρο, σενάριο στον επιταχυντή LHC είναι η ανακάλυψη της υπερσυμμετρίας. Είναι ένας από τους κύριους στόχους του ανιχνευτή ATLAS και του CMS, επειδή παρά την προέλευση της από τη θεωρία χορδών η θεωρία της υπερσυμμετρίας είναι αμφισβήτητα σημαντικότερη για τη φυσική των σωματιδίων. Παραδείγματος χάριν, στα πλαίσια της "ελάχιστης υπερσυμμετρικής επέκτασης" του καθιερωμένου μοντέλου (MSSM), η συνεχής υπερσυμμετρία στην ηλεκτρασθενή κλίμακα λύνει το πρόβλημα της ιεραρχίας, επειδή τα υπερσυμμετρικά σωματίδια εξουδετερώνουν τις κβαντικές διορθώσεις, που θα ανάγκαζαν τη μάζα Higgs να αποκλίνει. Η υπερσυμμετρία οδηγεί, επίσης, στη "μεγάλη ενοποίηση", στην οποία οι σταθερές σύζευξης των τριών δυνάμεων του καθιερωμένου μοντέλου συναντιούνται στις πολύ υψηλότερες ενέργειες, και το πιο ελαφρύ υπερσυμμετρικό σωματίδιο μας προσφέρει κι ένα φυσικό υποψήφιο για τη μη-φωτεινή σκοτεινή ύλη (το νετραλίνο), που όπως είναι γνωστό αποτελεί ένα τεράστιο μέρος της μάζας στο σύμπαν.

"Η υπερσυμμετρία είναι πολύ σημαντική στη θεωρία χορδών, αλλά δεν υπάρχει κανένα υποχρεωτικό a priori θεωρητικό επιχείρημα για το πώς ή σε ποια κλίμακα αυτή σπάει", λέει ο Susskind. "Το δυσάρεστο γεγονός - και πιστέψτε με, δεν το θέλω - είναι ότι εάν ανακαλυφθεί η υπερσυμμετρία, θα θεωρηθεί καλό για τη θεωρία χορδών, αλλά εάν δεν ανακαλυφθεί δεν θα αποκλείσει τη θεωρία. Έτσι δεν μπορούμε στην πραγματικότητα να πούμε ότι η ανακάλυψη της υπερσυμμετρίας στο LHC είναι μια πρόβλεψη της θεωρίας των χορδών".

Georgi Howard

Στην πραγματικότητα, η θεωρία χορδών μπορεί να μην απαιτεί ακόμη και καθόλου την υπερσυμμετρία, λέει ο Shamit Kachru, στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. "Οι υπερσυμμετρικές λύσεις είναι οι πιο εύκολες να μελετηθούν, αλλά η θεωρία έχει ένα τεράστιο δίκτυο μη- υπερσυμμετρικών λύσεων, όπου το σπάσιμο της υπερσυμμετρίας πραγματοποιείται σε ενέργειες πολύ υψηλότερες από την ηλεκτρασθενή κλίμακα".

Η ανικανότητα της υπερσυμμετρίας να δώσει μια οριστική απόδειξη της θεωρίας χορδών δίνει έμφαση στη θέση της θεωρίας χορδών ως ένα πλαίσιο για να περιγραφεί η θεμελιώδης φυσικής κι όχι σαν μια θεωρία με συγκεκριμένες προβλέψεις. Η κβαντική θεωρία πεδίου αντιμετωπίζει ανάλογες δυσκολίες. "Υποθέστε ότι κάποιος ήρθε και σας λέει κοιτάξτε, έχουμε αυτήν την φανταστική θεωρητική δομή, που λέγεται κβαντική θεωρία πεδίου, που ενσωματώνει την κβαντομηχανική, το αναλλοίωτο Lorentz, τις γενικεύσεις των κλασσικών πεδίων, αλλά υποθέτουμε ότι η συγκεκριμένη εφαρμογή δεν ενσωματώνει την ηλεκτροδυναμική δηλ. την QED", ερωτά ο Green, "τότε δεν θα ξέρατε ποιές θα ήταν οι φυσικές προβλέψεις της, κι έτσι δεν θα ήταν δυνατό να νοθευτούν." Για τους επαγγελματίες, λέει ο Green, η θεωρία των χορδών είναι λίγο πολύ σε αυτή τη θέση - ένα πλαίσιο που καλύπτει όλα τα βασικά συστατικά για να ενώσει την κβαντική βαρύτητα με τις άλλες δυνάμεις, ακόμα κι αν πρόκειται να κάνει πολύ συγκεκριμένες προβλέψεις.

Δεδομένου ότι η θεωρία χορδών επικρίνεται συχνά για όχι και τόσο καλή φορμαλιστικά όσο το καθιερωμένο μοντέλο, είναι επομένως ειρωνικό ότι ένα από τα πιο συγκεκριμένα μοντέλα της θεωρίας χορδών, που οι ερευνητές έχουν μέχρι σήμερα - μια διατύπωση της κβαντικής βαρύτητας με ορισμένη αρνητικά κυρτή γεωμετρία - είναι από μαθηματική άποψη ισοδύναμο με μια κβαντική θεωρία πεδίων παρόμοια με την QCD. Έστω κι αν πάρουμε τη θεωρία χορδών ότι ήταν στην αρχή της, ως μια περιγραφή των αδρονίων δηλαδή, λέει ο Gross, η δυαδικότητα μεταξύ της θεωρίας των χορδών και της θεωρίας πεδίου θα μπορούσε να σημαίνει ότι η θεωρία χορδών είναι ακριβώς αυτό: ένας τύπος κβαντικής θεωρίας πεδίου.

---

Γιατί δεν μπορεί η θεωρία χορδών να προβλέψει τίποτα;

Η θεωρία των χορδών αντικαθιστά τη μικροσκοπική περιγραφή του σύμπαντος που βασίζεται στα στοιχειώδη σημειακά σωματίδια με τις χορδές 1D. Εντούτοις, συγκρινόμενη με τη σωματιδιακή άποψη οι χορδές δεν έχουν προσφέρει στους φυσικούς καλύτερες εξηγήσεις για ό,τι βλέπουν στη φύση στις μικρές κλίμακες, όταν αυτοί χρησιμοποιούν επιταχυντές σαν τον LHC. Αυτό μπορεί να μην είναι εκπληκτικό δεδομένου ότι οι χορδές είναι 10²⁰ φορές μικρότερες από σωματίδια σαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αλλά γιατί είναι τόσο δύσκολο να μετατραπούν οι ιδέες των χορδών σε δύσκολες προβλέψεις;

Το θεωρητικό πλαίσιο του σύμπαντος από σωματιδιακή άποψη είναι η Κβαντική Θεωρία Πεδίων (QFT), η οποία περιγράφει σωματιδιακές αλληλεπιδράσεις που οφείλονται στην ανταλλαγή ενός κβάντου του πεδίου (τα φωτόνια, παραδείγματος χάριν, μεσολαβούν στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη). Για κάποιο βαθύ λόγο, ένας τύπος της QFT που λέγεται θεωρία βαθμίδας περιγράφει τις ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις εξαιρετικά καλά, και ισχύει για σχεδόν 35 χρόνια μέσω του καθιερωμένου μοντέλου της φυσικής σωματιδίων. Επειδή η QFT επιτρέπει στα σωματίδια να αναδύονται από το "τίποτα" μέσω των κβαντικών διακυμάνσεων του ελλοχεύοντος πεδίου, το κενό δεν είναι πραγματικά ένας άδειος χώρος. Η αφετηρία για τον υπολογισμό των φυσικών ποσοτήτων και στη θεωρία πεδίου και στη θεωρία χορδών είναι ίδια, επειδή η θεωρία χορδών έχει προέλευση στις ίδιες ρίζες της κβαντομηχανικής με την QFT, κι επομένως μπορεί να γραφτεί κάτω από κατάλληλες "λαγκρατζιανές" και να γίνει κατανοητό το κενό.

Στο καθιερωμένο μοντέλο, αυτό είναι εύλογα απλό, δεδομένου ότι η λαγκρατζιανή είναι πάγια (αμετάβλητη) μόλις ξέρετε τα σωματίδια και εξασφαλίσετε ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των σωματιδίων αφορούν τη συμμετρία βαθμίδας (που στην περίπτωση της ηλεκτροδυναμικής, παραδείγματος χάριν, κάνει τις τιμές των ποσοτήτων που μετρούνται ανεξάρτητες της εγγενούς φάσης της κυματοσυνάρτησης των ηλεκτρονίων). Όσον αφορά το κενό, προκειμένου να δοθούν στα σωματίδια οι μάζες τους οι θεωρητικοί επικαλούνται ένα βαθμωτό πεδίο, το πεδίο Higgs, που έχει μια διαφορετική από το μηδέν τιμή στο κενό.

Μόλις έχετε τις λαγκρατζιανές, μπορείτε έπειτα να παραγάγετε ένα σύνολο διαγραμμάτων Feynman που σας επιτρέπουν να υπολογίσετε γεγονότα. Το απλούστερο διάγραμμα που μπορείτε να σχεδιάσετε αντιστοιχεί στο κλασσικό όριο της θεωρίας (δηλ. εκεί όπου δεν υπάρχει καμία κβαντική διακύμανση) και παράγει ένα πλάτος πιθανότητας για μια ιδιαίτερη φυσική διαδικασία, για παράδειγμα ένα ηλεκτρόνιο που σκεδάζεται από ένα άλλο ηλεκτρόνιο. Μετά προσθέτοντας τις συνεισφορές από τα σύνθετα διαγράμματα (που χρησιμοποιούν τη θεωρία διαταραχής), η QFT μας επιτρέπει να κάνουμε πιο σωστούς τους υπολογισμούς αυτής της πιθανότητας - με μια ακρίβεια 10 δεκαδικών θέσεων στην περίπτωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.

Η άποψη του σύμπαντος με τα μάτια των χορδών μετατρέπει αυτά τα 1D (μονοδιάστατα) διαγράμματα σε διαγράμματα 2D, επειδή η χωροχρονική ιστορία μιας χορδής ακολουθεί τα ίχνη μιας δισδιάστατης 2D επιφάνειας αντί μιας γραμμής. Κι αυτό είναι σπουδαίο για την ενσωμάτωση της βαρύτητας, την οποία το καθιερωμένο μοντέλο αγνοεί, επειδή οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις των σημειακών σωματιδίων οδηγούν σε απειρισμούς στους υπολογισμούς. Το πρόβλημα είναι ότι οι θεωρητικοί δεν ξέρουν τι είναι οι λαγκρατζιανές στη θεωρία χορδών. Αντιθέτως, οι ερευνητές έχουν πέντε σύνολα πιθανών κανόνων Feynman, κάθε ένας από τους οποίους προσεγγίζει τη φυσική που περιγράφεται από μία διαφορετική λαγκρατζιανή (δηλ. μια διαφορετική διατύπωση της θεωρίας χορδών). Το πλεονέκτημα είναι ότι οι πέντε διαφορετικές θεωρίες χορδών συνδέονται από δυαδικότητες, κάτι που προτείνει ότι η θεωρία χορδών έχει μια μοναδική ελλοχεύουσα δομή (τη θεωρία Μ), έτσι δεν πειράζει και πάρα πολύ με ποιά κανένας δουλεύει. Το μειονέκτημα είναι ότι τα πέντε "υπόβαθρα", όπως τα ονομάζουν οι θεωρητικοί χορδών, ζουν σε ένα χωρόχρονο 10D ή 10 διαστάσεων.

Εάν ζούμε σε έναν κόσμο των 10 διαστάσεων (10D), τότε θα ήταν μια ευκαιρία να βρούμε ένα πείραμα για να ελέγξει ποιό εκ των πέντε υποβάθρων (της θεωρίας χορδών) ταιριάζει καλύτερα. Αλλά όταν 'περυτιλίξετε' τις έξι διαστάσεις σε μια πολλαπλότητα Calabi–Yau - σε μία προσπάθεια να περιγραφούν οι τέσσερις διαστάσεις του πραγματικού κόσμου - παράγετε ένα ελαφρώς διαφορετικό υπόβαθρο με το δικό του σύνολο διαγραμμάτων Feynman. Πράγματι, ο αριθμός των τετραδιάστατων 4D Λαγκρατζιανών που μπορείτε να πάρετε είναι περίπου 10⁵⁰⁰, που κάθε ένα από τα οποία αντιστοιχεί σε έναν διαφορετικό τρόπο συμπαγοποίησης των 6D πολλαπλοτήτων, επιλέγοντας ροές και επιλέγοντας βράνες (δηλ. "μη-διαταραγμένα" φαινόμενα που είναι εξαιρετικά δύσκολο να υπολογιστούν).

Επειδή κάθε αποτέλεσμα αντιστοιχεί σε έναν διαφορετικό σύμπαν, πρέπει πραγματικά να μελετήσετε και τις 10⁵⁰⁰ περιπτώσεις, προκειμένου να ανακαλύψετε εάν η θεωρία χορδών περιγράφει ή όχι τον πραγματικό Κόσμο (αντίθετα από τη QFT, όπου εάν βλέπετε κάτι στη φύση που δεν σας αρέσει, τότε μπορείτε να προσθέσετε ένα νέο σωματίδιο ή ένα λαγκρατζιανό πεδίο). Το ζουμί από αυτό το 'τοπίο' της θεωρίας χορδών, εντούτοις, είναι ότι αυτή είναι η μόνη εξήγηση που μπορεί να προσφέρουν οι φυσικοί για την κοσμολογική σταθερά - μια ιδιότητα του κενού που ανακαλύφθηκε το 1998 και που η QFT υπολογίζει λανθασμένα κατά έναν παράγοντα τουλάχιστον 10⁶⁰.

Το σημερινό τοπίο στη θεωρία χορδών

Το σημερινό τοπίο στη θεωρία χορδών
Μέρος 1ο

Κατά την πορεία της, που ξεκίνησε πριν 40 χρόνια σχεδόν, η θεωρία των χορδών άρχισε σαν μια θεωρία των αδρονίων και κατέληξε να γίνει μια θεωρία του παντός, ενδεχομένως και μια θεωρία του τίποτα. Πράγματι, η σύγχρονη θεωρία των χορδών δεν είναι πλέον μια θεωρία χορδών, αλλά μία θεωρία για τα αντικείμενα των πολλών διαστάσεων που λέγονται βράνες.

Οι θεωρητικοί των χορδών μπορεί μέχρι σήμερα να μην έχουν βρει καμία σύνδεση με την πραγματικότητα (πλην ότι προβλέπει την βαρύτητα), αλλά πιστεύουν ότι κάτι αξιόλογο θα βρουν με την έναρξη των εργασιών στο Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων (LHC) στο CERN, που πρόκειται να 'ανάψει' τον επόμενο Αύγουστο. Αλλά η πιθανότητα να εμφανιστούν αποδείξεις για τη θεωρία των χορδών, στις συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων σε ενέργειες 14 TeV, στον LHC πάντως είναι πολύ μικρή.

Όμως δεν θεωρούν όλοι ότι η θεωρία χορδών είναι καθαρή και απλή στη φυσική της. Χρειάστηκαν δύο δεκαετίες σκληρής προσπάθειας για να φανεί από τους εμπνευστές της ως μια κομψή "θεωρία του παντός", που παρέχει μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας και ενοποιεί τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης.

Στις προσπάθειες αυτές συνάντησε σκληρή κριτική κυρίως από τη δημοσίευση δύο βιβλίων: 'Το πρόβλημα με τη φυσική' από τον Lee Smolin και το 'Not Even Wrong' από τον Peter Woit, που είχαν στο στόχο τη θεωρία χορδών για, μεταξύ των άλλων, τη μη παραγωγή οποιωνδήποτε ελέγξιμων προβλέψεων. Κάποιοι έφτασαν να θεωρούν τη θεωρία χορδών ότι δεν είναι περισσότερο επιστημονική από όσο η θεωρία του δημιουργισμού, γιατί βλέπουν ότι δεν είναι ελέγξιμη πειραματικά.

Ο Sheldon Glashow

Κάποια σημεία από την κριτική τους είναι κατανοητά. Στους περισσότερους ανθρώπους, συμπεριλαμβανομένων και πολλών φυσικών, η θεωρία χορδών δεν εμφανίζεται να μας λέει τίποτα νέο για το πώς λειτουργεί πραγματικά το σύμπαν παρά τα, σχεδόν, 40 χρόνια προσπάθειας. "Δυστυχώς, δεν μπορώ να φανταστώ ένα απλό πειραματικό αποτέλεσμα που θα έβγαζε λάθος τη θεωρία χορδών", λέει ο Sheldon Glashow, που μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 1979 για τον ρόλο του στην ανάπτυξη της ενοποιημένης ηλεκτρασθενούς θεωρίας, που διαμορφώνει τον πυρήνα του καθιερωμένου μοντέλου της φυσικής σωματιδίων. "Πιστεύω ότι αυτά που δεν μπορούν να αποδειχθούν λάθος (δεν μπορούν δηλαδή να διαψευστούν σύμφωνα με τον K. Popper) δεν ανήκουν στη σφαίρα της επιστήμης."

Ο Ed Witten του Ιδρύματος για Προηγμένη Μελέτη (IAS) στο πανεπιστήμιο του Princeton, που θεωρείται από τους περισσότερους ως το κύριο πρόσωπο στη θεωρία χορδών, αναγνωρίζει ότι είναι δύσκολο για κάποιον που δεν έχει εργαστεί πάνω στο θέμα να κατανοήσει αυτήν την διάκριση πλήρως. "Η θεωρία χορδών είναι εντελώς διαφορετική από οποιαδήποτε άλλη θεωρία που έχουμε εξετάσει μέχρι τώρα", λέει. "Είναι απίστευτα πλούσια και συνήθως κρυμμένος ο θησαυρός της. Οι άνθρωποι ξέρουν απλώς τα επιφανειακά κομμάτια της ή αυτά που βρίσκονται με λίγο σκάψιμο, ακόμα κι αν αυτά είναι τεράστια σε πλούτο γνώσεων."

Μερικοί κριτικοί χτυπούν, επίσης, τη θεωρία χορδών για την αποτυχία της να απαντήσει στα θεμελιώδη ζητήματα για τον Κόσμο που μόνο αυτή, ως το καλύτερο μοντέλο της κβαντικής βαρύτητας, μπορεί σοβαρά να εξετάσει. Μερικές από αυτές τις ερωτήσεις, λέει ο David Gross (δεξιά) - που μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 2004 για την εργασία του πάνω στην Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD) - ήταν από την εποχή της κβαντομηχανικής. "Η θεωρία χορδών μας αναγκάζει να αντιμετωπίσουμε τη ιδιομορφία (ή την ανωμαλία) του Big Bang καθώς και την κοσμολογική σταθερά - προβλήματα που είτε έχουν αγνοηθεί μέχρι τώρα είτε έχουν οδηγήσει τους επιστήμονες σε απελπισία", τονίζει ένας από τους υποστηρικτές της θεωρίας.

"Η θεωρία χορδών είναι μια θεωρία του "DNA" ενός σύμπαντος, αλλά μελετάμε μόνο μια απλή "μορφή της ζωής" - στο στενό κομμάτι του χώρου μας. Είναι σαν ο Μέντελ να είχε ένα μπιζέλι μόνο και ένα απλό μεγεθυντικό φακό για να δουλέψει με αυτό, και από τα οποία ανέμενε να ανακαλύψει το διπλό έλικα και τις τέσσερις βάσεις A, C, G και T" Leonard Susskind πρωτοπόρος της θεωρίας χορδών

Ο Gross επίσης νομίζει ότι πολλοί άνθρωποι περιμένουν ότι η θεωρία χορδών δεν ανταποκρίνεται σε υψηλά στάνταρτ. "Η θεωρία χορδών είναι πλήρης ποιοτικών προβλέψεων, όπως η παραγωγή των μαύρων οπών στο Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων LHC ή των κοσμικών χορδών στον ουρανό, και αυτό το επίπεδο πρόβλεψης είναι τέλεια αποδεκτό σχεδόν σε κάθε άλλο τομέα της επιστήμης", αναφέρει. "Μόνο στη φυσική σωματιδίων υπάρχει πρόβλημα, όπου μια θεωρία μπορεί να απορριφθεί εάν το 10ο δεκαδικό ψηφίο μιας πρόβλεψης δεν συμφωνεί με το πείραμα."

Τι άραγε εμποδίζει τη θεωρία χορδών από το να κάνει οριστικές και ελέγξιμες προβλέψεις που θα την καθιστούσαν μια για πάντα ως μια βιώσιμη θεωρία της φύσης;

"Αισθάνομαι ότι η φύση πρέπει να μας στοχεύει με σκοπό να μελετήσουμε τη θεωρία χορδών, επειδή δεν μπορώ απλώς να πιστέψω ότι οι άνθρωποι σκόνταψαν τυχαία πάνω από κάτι τόσο πλούσιο", λέει ο Witten. "Μια από τις πιο μεγάλες ανησυχίες που έχουμε είναι ότι η θεωρία αυτή μπορεί να αποδειχθεί πάρα πολύ δύσκολη για να κατανοηθεί."

Το ξεκίνημα των χορδών στην αδρονική θεωρία

Κατά κάποιο τρόπο, η θεωρία χορδών μοιάζει θύμα της επιτυχίας της. Δεν επιδίωξε να γεφυρώσει τους δύο στυλοβάτες της σύγχρονης φυσικής - την κβαντομηχανική και τη θεωρία της γενικής σχετικότητας - ενώ ταυτόχρονα να ενοποιήσει τη βαρύτητα με τις τρεις άλλες βασικές δυνάμεις στη φύση: τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ισχυρή και ασθενή δύναμη. Αντίθετα, η θεωρία χορδών άρχισε τη ζωή το 1970 όταν οι σωματιδιακοί φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι ένα μοντέλο της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, που είχε προταθεί δύο χρόνια πριν για να εξηγήσει έναν μεγάλο αριθμό παρατηρηθέντων πειραματικά αδρονίων, ήταν πραγματικά μια θεωρία των κβαντομηχανικών χορδών.

Σε αυτή την πρώιμη εικόνα, τα κουάρκ μέσα στα αδρόνια εμφανίζονται σαν να συνδέονται με μία μικροσκοπική χορδή με μια ορισμένη τάση, που σήμαινε ότι οι διάφοροι διαφορετικοί τύποι των αδρονίων θα μπορούσαν να οργανωθούν κατάλληλα, σαν να πρόκειται για διαφορετικούς παλμικούς τρόπους μονοδιάστατων κβαντικών χορδών. Αν και αυτό το μοντέλο εκτοπίστηκε σύντομα από την κυρίαρχη σήμερα QCD - μια κβαντική θεωρία πεδίου που μεταχειρίζεται τα σωματίδια σαν σημειακά σημεία παρά χορδές - έγινε σύντομα σαφές ότι η εικόνα με χορδές του Κόσμου έκρυβε κάτι συνολικά, πιο αξιοπρόσεκτο από ότι τα αδρόνια μόνο.

Συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας στο LHC του CERN μπορεί να είναι αρκετές για να διεγείρουν αρμονικές των θεμελιωδών χορδών, που θα εμφανιστούν σαν νέα σωματίδια, για παράδειγμα στον ανιχνευτή ATLAS.

Ένα από τα σοβαρά προβλήματα με το αρχικό αδρονικό μοντέλο χορδών ήταν ότι πρόβλεψε την ύπαρξη άμαζων "spin-2" σωματιδίων, τα οποία θα πρέπει να είχαν ανακαλυφθεί στα πειράματα. Αυτά τα σωματίδια αντιστοιχούν σε δονήσεις των χορδών που συνδέονται και στις δύο άκρες, σε αντιδιαστολή με τις "ανοικτές" χορδές οι αρμονικές των οποίων περιέγραφαν τα διάφορα αδρόνια.

Αλλά το 1974 ο John Schwarz έδειξε ότι αυτοί οι κλειστοί βρόχοι έχουν ακριβώς τις ιδιότητες των βαρυτονίων ή γκραβιτονίων: τα υποθετικά σωματίδια με spin 2 που αναφύονται όταν προσπαθείτε να γυρίσετε τη γενική σχετικότητα, (μια κλασσική θεωρία στην οποία η βαρύτητα προκύπτει από την κυρτότητα του χωροχρόνου), σε μια κβαντική θεωρία πεδίου όπως το καθιερωμένο μοντέλο. Αν και η θεμελιώδης κλίμακα χορδών έπρεπε να είναι περίπου 10²⁰ μεγέθη μικρότερη από την αρχικά προτεινόμενη για να εξηγήσει την αδυναμία της βαρυτικής δύναμης, η θεωρία χορδών παρουσίασε αμέσως μια πιθανή κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

"Οι κβαντικές θεωρίες πεδίου δεν επιτρέπουν την ύπαρξη των δυνάμεων βαρύτητας", λέει ο Leonard Susskind, που το 1970 ήταν ένας από τους πρώτους που συνέδεσε τα αδρόνια με τις χορδές. |Η θεωρία χορδών όχι μόνο επιτρέπει τη βαρύτητα, αλλά η βαρύτητα είναι μια βασική μαθηματική συνέπεια της θεωρίας. Οι σκεπτικιστές το λένε big deal, οι θεωρητικοί χορδών το λένε BIG DEAL!"

Η θεωρία χορδών πετυχαίνει εκεί όπου η κβαντική θεωρία πεδίων αποτυγχάνει, επειδή παρακάμπτει τις αλληλεπιδράσεις σε μικρές αποστάσεις που μπορούν να δώσουν αποτελέσματα χωρίς νόημα (πχ απειρισμούς). Στο καθιερωμένο μοντέλο - που είναι βασισμένο στη συμμετρία βαθμίδας ή ομάδες βαθμίδας SU(3) × SU(2) × U(1), όπου SU(3) είναι Κβαντική Χρωμοδυναμική QCD και SU(2) × U(1) η ενοποιημένη ηλεκτρασθενής θεωρία - τα στοιχειώδη σωμάτια αλληλεπιδρούν με την ανταλλαγή σωματιδίων, τα λεγόμενα μποζόνια βαθμίδας. Παραδείγματος χάριν, τα φωτόνια μεσολαβούν στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, που περιγράφεται από την αρχική και επιτυχέστερη θεωρία πεδίου όλων των εποχών: την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), η οποία αναπτύχθηκε από τον Feynman και άλλους στη δεκαετία του '40.

Κρυμμένες διαστάσεις

Αλλόκοτα κομψό: Ετεροτική θεωρία χορδών (εδώ παρουσιάζεται σε 2 διαστάσεις) που αναπτύσσεται σε 8 διαστάσεις

Εντούτοις, η προσπάθεια της ενσωμάτωσης της βαρύτητας στο καθιερωμένο μοντέλο με τέτοιες επεκτάσεις της θεωρίας γίνεται ανεξέλεγκτη. Αυτό προέρχεται από το γεγονός ότι η σταθερά βαρύτητας του Νεύτωνα δεν είναι αδιάστατη, όπως, για παράδειγμα, η σταθερά λεπτοδομής α. Κατά συνέπεια, τα γκραβιτόνια - που προκύπτουν από την κβαντοποίηση της χωροχρονικής μετρικής στη γενική σχετικότητα - οδηγεί σε σημειακές αλληλεπιδράσεις με άπειρες πιθανότητες.

Η θεωρία χορδών το αλλάζει αυτό αντικαθιστώντας τις μονοδιάστατες τροχιές των σημειακών σωματιδίων στον χωρόχρονο με δισδιάστατες επιφάνειες στις οποίες κινούνται οι χορδές. Κατά συνέπεια, όλες οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μπορούν να περιγραφούν τοπολογικά με όρους δισδιάστατων "παγκόσμιων επίπεδων φύλλων" που σπάνε και επανασυνδέονται στον χωρόχρονο. Η πιθανότητα να εμφανίζονται τέτοιες αλληλεπιδράσεις δίνεται από μια απλή παράμετρο - την τάση των χορδών - ενώ δεν προκύπτουν ποτέ οι αποκλίσεις των μικρών αποστάσεων.

"Η θεωρία των χορδών αναπτύχθηκε όπως τα ανάλογα διαγράμματα του Feynman στις 2 διαστάσεις", λέει ο Michael Green. "Αλλά η επίλυση των κανόνων των δισδιάστατων διαταραχών είναι η αρχή μόνο του προβλήματος."

Κι αυτό επειδή η θεωρία διαταραχών λειτουργεί μόνο εάν ο χωρόχρονος έχει μερικές μάλλον αλλόκοτες ιδιότητες, μία από τις οποίες είναι η υπερσυμμετρία. Ενώ οι χορδές στην αρχική αδρονική θεωρία ήταν μποζονικά (δηλ. οι δονήσεις τους αντιστοιχούσαν σε σωματίδια όπως είναι τα φωτόνια που έχουν ακέραιο σπιν σε μονάδες της σταθεράς Planck), ο Κόσμος αποτελείται συνήθως από φερμιόνια - σωματίδια όπως είναι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, που έχουν ημιακέραιο σπιν.

Στα μέσα της δεκαετίας του '70 ο John Schwarz και άλλοι συνειδητοποίησαν ότι ο μόνος τρόπος που η θεωρία χορδών θα μπορούσε να προσαρμόσει τα φερμιόνια ήταν μόνο εάν η κάθε μποζονική δόνηση των χορδών έχει κι ένα υπερσυμμετρικό φερμιονικό αντίστοιχο, που αντιστοιχεί σε ένα σωματίδιο με ακριβώς την ίδια μάζα (και αντίστροφα). Η θεωρία των χορδών είναι έτσι η περίληψη της θεωρίας υπερχορδών, και ένας από τους κύριους στόχους του LHC στη Γενεύη είναι να ανακαλυφθεί εάν υπάρχουν πραγματικά τέτοια υπερσυμμετρικά σωματίδια.

Ένα άλλο ζήτημα, που η θεωρία χορδών τοποθετείται στον χωρόχρονο, είναι ένας φαινομενικά γελοίος αριθμός διαστάσεων. Η αυθεντική μποζονική θεωρία, παραδείγματος χάριν, αφορά μόνο την σταθερότητα Lorentz - μια παρατηρηθείσα συμμετρία του χωροχρόνου που δηλώνει ότι δεν υπάρχει καμία προτιμητέα κατεύθυνση στο διάστημα - εάν αυτή διατυπώνεται σε 26 διαστάσεις. Οι υπερχορδές απαιτούν 10 διαστάσεις: εννέα του χώρου και μία του χρόνου. Αλλά προκειμένου να εξηγηθεί το γεγονός ότι υπάρχουν μόνο τρεις χωρικές διαστάσεις, οι θεωρητικοί των χορδών πρέπει να βρουν τρόπους για να εξετάσουν τις πρόσθετες έξι, που γίνεται συνήθως με το αν δεχθούμε ότι οι πρόσθετες διαστάσεις βρίσκονται συμπαγοποιημένες σε πολύ μικρές κλίμακες.

"Για να τις ονομάσουμε επιπλέον διαστάσεις, είναι μια ακυριολεξία υπό κάποια έννοια, επειδή όλες τους είναι κοκκώδεις στη κλίμακα Planckμ (των χορδών δηλαδή), λέει ο Michael Green. "Επειδή αυτές είναι καθορισμένες κβαντομηχανικά, αυτές οι κρυμμένες διαστάσεις πρέπει να θεωρηθούν ως κάποια εσωτερική χωροχρονική δομή." Πράγματι, ενώ η δουλειά των θεωρητικών των χορδών θα ήταν πολύ ευκολότερη εάν ο Κόσμος μας ήταν δέκα διαστάσεων και όχι τεσσάρων, το γεγονός ότι οι χορδές έχουν έξι πρόσθετες διαστάσεις στις οποίες μπορούν αυτές να δονηθούν, μπορεί να δίνει μια εξήγηση για μυστήριες εγγενείς ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων, όπως είναι το σπιν και το φορτίο τους.