ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΚΡΥΜΜΕΝΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ;

 Οι απόψεις που έχουμε για το σύμπαν στηρίζονται, πολλές φορές, στον τρόπο που ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται τις αντιλήψεις που προσλαμβάνουμε από τον καθημερινό κόσμο που μας περιβάλλει. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι πάντα αυτά που αντιλαμβανόμαστε είναι και η αληθινή πραγματικότητα. Αντίθετα, υπάρχουν περιπτώσεις (όπως έχουμε δει στην κβαντική φυσική ή στην σχετικότητα) που οι αντιλήψεις που έχουμε για τον κόσμο είναι λανθασμένες.

 physics4u

Πολλοί λοιπόν λαμπροί θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν, μετά από ενδελεχή μαθηματική επεξεργασία,  ότι η εικόνα που σχηματίζουμε σήμερα από την εμπειρία μας για τον κόσμο ότι είναι τετραδιάστατος (τρεις του χώρου συν μία ακόμα διάσταση  του χρόνου), δεν είναι παρά μια οφθαλμαπάτη. Γιατί; Γιατί κάθε τι που αντιλαμβανόμαστε, δεν συμβαίνει στις 3 διαστάσεις του χώρου αλλά σε περισσότερες. Το ότι αντιλαμβανόμαστε μόνο 3 δεν είναι παρά ένα παιχνίδι που μας παίζει το σύμπαν.

Από την άλλη μεριά όμως πρέπει να πούμε από την αρχή, ότι δεν υπάρχει ένα γενικά αποδεκτό μοντέλο, πως μοιάζουν αυτές οι επιπλέον διαστάσεις του χώρου. Υπάρχου δύο και ίσως 3 διαφορετικές θεωρίες για το πως μοιάζουν αυτές οι έξτρα διαστάσεις. Και σε κάθε μια από αυτές πάλι, η συγκεκριμένη μορφή των διαστάσεων αυτών είναι πάλι άγνωστη. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.

Πολλαπλότητες Calabi-Yau

Το πρώτο μοντέλο λέει ότι το Σύμπαν έχει 10 διαστάσεις. 3 από αυτές αποτελούν το συνηθισμένο χώρο, η μία διάσταση αποδίδεται στον χρόνο, και έχουμε και 6-διάστατες πολλαπλότητες  Calabi-Yau προσκολλημένες σε κάθε σημείο του συνηθισμένου τρισδιάστατου χώρου.

Και τι είναι πάλι η πολλαπλότητα Calabi-Yau;

Είναι πολύ δύσκολο να φανταστούμε τι είναι η πολλαπλότητα Calabi-Yau γιατί έχει 6 διαστάσεις, ας προσπαθήσουμε όμως.

Οι πολλαπλότητες αυτές δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές διότι έχουν διάμετρο μικρότερη από 10-33 cm , πολύ μικρότερη από αυτή που μπορούν να διακρίνουν τα καλύτερά μας μικροσκόπια.

Μια πολλαπλότητα Calabi-Yau μοιάζει με ένα φύλο χαρτιού που το έχουμε τσαλακώσει σε μπαλάκι. όμως, οι καμπύλες του και οι αναδιπλώσεις του ανακυκλώνουν στους εαυτούς τους, γυρίζοντας πάλι στο αρχικό σημείο. Μια πολλαπλότητα Calabi-Yau δεν γνωρίζει ευθείες γραμμές. Αν φανταστούμε ότι βρισκόμαστε σε μια τέτοια πολλαπλότητα, τότε κοιτάζοντας κατευθείαν μπροστά μας θα μπορούσαμε να δούμε την πλάτη μας! Δεν μιλάμε βέβαια μόνο για την πορεία του φωτός. Και μια μικροσκοπική μπαλίτσα να ρίχναμε κατευθείαν μπροστά μας, αυτή θα έκανε διάφορες καμπύλες πορείες στις 6 διαστάσεις σαν τα ρώσικα τραινάκια του roller-coaster, και τελικά θα κατέληγε να μας χτυπήσει στην πλάτη. Μια πολλαπλότητα Calabi-Yau είναι πράγματι ένα αρκετά παράξενο αντικείμενο που περιέχει χώρο και μόνο χώρο των έξι πρόσθετων διαστάσεων.

Δυστυχώς οι προσπάθειες μας να αισθητοποιήσουμε τέτοιου τύπου θεωρητικά σχήματα θα μένουν πάντα ατελείς διότι χρησιμοποιούμε την καθημερινή γλώσσα που δεν έχει καμία σχέση με τα θεωρητικά πιο πάνω σχήματα. Όταν οι επιστήμονες μιλάνε για τις επιπλέον διαστάσεις, αποφεύγουν τη χρήση της καθημερινής γλώσσας η οποία είναι προσκολλημένη στην καθημερινή μας εμπειρία για τον χώρο, το χρόνο και την πραγματικότητα Η καθημερινή γλώσσα είναι από τη φύση της ανακριβής και μας παραπλανά όταν μιλάμε για τέτοια θέματα. Χρησιμοποιείται αντίθετα η γλώσσα των μαθηματικών, της οποίας οι έννοιες και οι όροι γενικεύονται εύκολα σε οποιονδήποτε αριθμό διαστάσεων ή σε χώρους όπου επικρατούν φυσικές συνθήκες έξω από την αντίληψή μας.

Ας δούμε για παράδειγμα πως σκέπτονται οι μαθηματικοί για τη διαφορά μεταξύ ενός κύκλου και μιας σφαίρας.

Για ένα μαθηματικό, μια σφαίρα και ένας κύκλος είναι ουσιαστικά το ίδιο πράγμα, ένα σύνολο σημείων που βρίσκονται σε ίση απόσταση από ένα άλλο σημείο. (Σκεφτείτε το για λίγο. Εάν πάρετε ένα κομμάτι χαρτί, σημειώσετε με μια κουκίδα ένα σημείο επάνω του και στη συνέχεια κάνετε το ίδιο για όλα τα σημεία του χαρτιού που απέχουν π.χ. ακριβώς 1 cm από το συγκεκριμένο σημείο, θα έχετε κατασκευάσει ένα κύκλο. Με την ίδια διαδικασία μπορείτε να φτιάξετε μια σφαίρα, πρέπει όμως να σημειώσετε όλα τα αντίστοιχα σημεία και στις 3 διαστάσεις.) Οι μαθηματικοί αποκαλούν τους κύκλους σφαίρες-1, επειδή για να κατασκευαστούν απαιτείται μόνο μια μονοδιάστατη γραμμή, για την ακρίβεια μια καμπύλη. Οι πραγματικές σφαίρες αποκαλούνται σφαίρες-2, αφού για την κατασκευή τους απαιτείται μια δισδιάστατη επιφάνεια. Για τους μαθηματικούς δεν υπάρχει ουσιώδης διαφορά μεταξύ μιας σφαίρας-1 και μιας σφαίρας-2. Προτιμούν να μελετούν σφαίρες-n, σφαίρες δηλαδή στις οποίες μπορούμε να αλλάζουμε όπως θέλουμε τον αριθμό των διαστάσεών τους. Δεν έχει καμιά σημασία το γεγονός ότι δεν μπορούμε να φανταστούμε πως θα έμοιαζε ακόμα και μια σφαίρα-3, αφού θα ανήκε στον τετραδιάστατο χώρο. Δεν έχει σημασία ότι δεν μπορούμε να περιγράψουμε τη μορφή της στα Αγγλικά, τα Ελληνικά ή τα Ιαπωνικά. Μπορεί να περιγραφεί με απόλυτη ακρίβεια στη γλώσσα των μαθηματικών.  (  Γενικά μια n-διάστατη σφαίρα ακτίνας 1 περιγράφεται από την εξίσωση: {χ ε Rn+1|d(x,O)| = 1}

Τελευταία κυκλοφορεί στους θεωρητικούς κύκλους μία σημαντική βελτίωση της θεωρίας των χορδών (από τον Ed Witten) που μας λέει  ότι ίσως υπάρχει ακόμα μια διάσταση, κι έτσι ο συνολικός τους αριθμός φθάνει τις 11. Η νέα αυτή διάσταση παραμένει αόρατη επειδή είναι κουλουριασμένη σ’ έναν άπειρο αριθμό μικροσκοπικών βρόχων. Ας υποθέσουμε προς το παρόν όμως ότι μιλάμε για 10 διαστάσεις).

Το μεγάλο πρόβλημα της θεωρητικής φυσικής

Δεν λέει κανένας ότι η σύγχρονη φυσική δεν είναι συνεπής ή ότι δεν είναι έγκυρη ή ότι δεν είναι ακριβής. σχεδόν για κάθε φαινόμενο που μπορούμε να φανταστούμε, οι αιτιακές και στατιστικές εξηγήσεις που παρέχει η φυσική είναι ακλόνητες.

Η φυσική προβλέπει ότι ο χρόνος σε μερικές περιπτώσεις επιβραδύνεται; Κάνουμε τα αντίστοιχα πειράματα και βλέπουμε ότι ο χρόνος πράγματι επιβραδύνεται και μάλιστα στο βαθμό που είχε υπολογιστεί από τη θεωρία.

Η φυσική υποστηρίζει ότι σωματίδια που βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση μπορούν να αλληλοεπηρεάζονται ακαριαία; Σχεδόν 50 χρόνια αργότερα από τον ισχυρισμό αυτό έχει αναπτυχθεί η κατάλληλη τεχνολογία για να τον ελέγξουμε, και πράγματι τα σωματίδια συμπεριφέρονται με αυτόν ακριβώς τον τρόπο.

Η φυσική μας ανοίγει κόσμους και συγχρόνως μας δίνει και τα μέσα παρατήρησής τους που δεν θα τους είχαμε ποτέ υποπτευθεί χωρίς αυτήν. Πάρτε για παράδειγμα το κενό που επικρατεί στο βάθος του διαστήματος. Σύμφωνα με τη σύγχρονη φυσική δεν πρόκειται για απόλυτο κενό. Σ’ αυτό γεννιούνται και καταστρέφονται κάθε στιγμή αμέτρητα υποατομικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά οφείλουν το βραχύ βίο τους στην αρχή της απροσδιοριστίας η οποία αποτελεί την καρδιά της κβαντικής μηχανικής. Πρόσφατα σχετικά πειράματα απέδειξαν ότι η νέα αυτή πραγματικότητα όντως υφίσταται.

Η σύγχρονη φυσική είναι το πιο ισχυρό νοητικό εργαλείο που επινοήθηκε ποτέ για την κατανόηση του φυσικού κόσμου.

Κι όμως σε μερικά σημεία της είναι εσφαλμένη!

Ίσως να υπερβάλλουμε λίγο. Η θεωρητική φυσική σφάλλει σε μερικές, φαινομενικά ήσσονος σημασίας, προσεκτικά επιλεγμένες περιπτώσεις. Μια ποσότητα που ονομάζεται διπολική ροπή του μιονίου αποκλίνει από την πειραματική της τιμή κατά 0,00005%. Επίσης η θεωρητική τιμή μιας άλλης ποσότητας, της sin2θW (η οποία προφέρεται ως τετράγωνο του ημιτόνου του θήταW) διαφέρει από την πειραματική κατά 1%.

Υπάρχει επίσης μια ακόμη ασυμφωνία, η οποία δεν είναι τόσο μικρή. Πράγματι με όρους ολικής ενέργειας, η σκοτεινή ενέργεια (το πιο παράξενο “πράγμα» του Σύμπαντος), έχει 14πλάσια ενέργεια από την ολική ενέργεια όλων των αστέρων, των γαλαξιών, των μαύρων τρυπών, των πρωτονίων, των ηλεκτρονίων και όλων όσων έχουμε εντοπίσει ή έχουμε φανταστεί ότι υπάρχουν στο Σύμπαν. Με την πάροδο του χρόνου θα μπορούσε να γίνει τόσο ισχυρή ώστε να διαμελίσει όλα τα βασικά συστατικά της ύλης του Σύμπαντος μέχρι και τα άτομα. Βέβαια, δεν έχουμε ιδέα περί τίνος πρόκειται.

Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν έχουν γίνει απόπειρες να προσδιοριστεί αυτή η σκοτεινή ενέργεια. Όμως αυτές οι απόπειρες έχουν αποτύχει οικτρά. Ας δούμε γιατί.

Έστω T το θεωρητικό μέγεθος της σκοτεινής ενέργειας.
Έστω E η πειραματική τιμή της σκοτεινής ενέργειας.
Αν η θεωρία ήταν σωστή θα έπρεπε T = E.
Όμως όχι απλά ισχύει ότι T ≠ E. Αλλά
T = E x 10120.

Δεν υπάρχει καμιά κατάλληλη αντιστοιχία που θα μας βοηθούσε να καταλάβουμε το μέγεθος της αποτυχίας. Ακόμη και αν ψάξουμε πολύ για να βρούμε αντικείμενα που να διαφέρουν κατά 120 τάξεις μεγέθους δεν θα τα βρούμε. Η διαφορά αυτή είναι μεγαλύτερη απ’ όσο διαφέρει το μέγεθος μιας σταγόνας νερού από το νερό όλων των ωκεανών της Γης, αμέτρητα δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Είναι μεγαλύτερη από τη διαφορά μεγέθους ενός πρωτονίου και όλου του παρατηρήσιμου Σύμπαντος. Είναι τόσο λανθασμένη που κάνει κάποιον να πιστέψει ότι έχει γίνει ένα ανόητο σφάλμα στους υπολογισμούς. Όμως όχι, πολλοί έχουν ελέγξει τους υπολογισμούς και αυτή η ενοχλητική διαφορά μεταξύ της θεωρίας και του τρόπου που συμπεριφέρεται το σύμπαν στην πραγματικότητα, παραμένει πεισματικά η ίδια.

(Στην πραγματικότητα οι φυσικοί προτιμούν να αποκαλούν τις θεωρίες τους «ανολοκλήρωτες» παρά «λανθασμένες», καθώς είναι απόλυτα πεπεισμένοι ότι οι θεωρίες τους μπορούν να περιγράψουν και να εξηγήσουν το 99,999999% των φαινομένων του Σύμπαντος.

Απλώς υπάρχει αυτό το 0,000001% που δεν μπορεί να εξηγηθεί. Όταν όμως ιδιοφυείς επιστήμονες προσπαθούν ν’ αποκαταστήσουν αυτό το χαμένο ποσοστό ) 0,000001% επινοώντας εντελώς νέες δομές για τον χωροχρόνο, υποστηρίζοντας ότι ζούμε σ’ ένα Σύμπαν με 6 ή 4 ή δύο πρόσθετες διαστάσεις που δεν μπορούμε ν’ αντιληφθούμε, ότι το Σύμπαν ίσως να μην αποτελείται από τα συστατικά που νομίζαμε, αλλά από μικροσκοπικές χορδές, ότι υπάρχει κάποια παράξενη δύναμη αντιβαρύτητας (ή σκοτεινή ενέργεια) που είναι κατά 14 φορές πιο ισχυρή από οτιδήποτε υπάρχει στο Σύμπαν. Γι αυτό κι αυτά τα προβλήματα είναι πολύ πιο ανατρεπτικά απ’ όσο θα ήθελε να υποθέσει κανείς. Δεν μοιάζει καθόλου με το να επεκτείνουμε με ένα ακόμη υπνοδωμάτιο μια έτσι κι αλλιώς λειτουργική κατοικία. Είναι σα να ισοπεδώσαμε όλο το οικοδόμημα και να ξεκινήσαμε να το χτίζουμε ξανά απ’ την αρχή, πιθανώς σε μια άλλη χώρα με καλύτερη φορολογική νομοθεσία.

Αν όμως οι σύγχρονες θεωρίες της φυσικής αποτυγχάνουν και η θεωρία των χορδών μας φαίνεται ακόμη σχετικά παράλογη, ίσως πρέπει να σκεφθούμε μια 2η άποψη για το είδος του χώρου, που να είναι είναι εντελώς διαφορετική.

Η 2η άποψη για τον Κόσμο μας λέει ότι είναι μια τρισδιάστατη βράνη που αιωρείται σ’ ένα τετραδιάστατο κενό.

Τι είναι όμως η βράνη (που προέρχεται από την λέξη μεμβράνη);

 

Η ταυτόχρονη συστολή μιας βράνης και μιας διάστασης του χωροχρόνου

Θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε δίνοντας μερικές ιδέες για τη βράνη (brane):

· Ζούμε σε μια βράνη.
· Μια βράνη είναι σαν μια μεμβράνη. Φαντασθείτε την κρούστα που σχηματίζεται πάνω στη σούπα όταν κρυώσει. Κάτι ανάλογο είναι και η βράνη.
· Μια βράνη είναι ένα αντικείμενο λιγότερων διαστάσεων (μια δισδιάστατη κρούστα) που βρίσκεται μέσα σε χώρο περισσότερων διαστάσεων (η 3-διάστατη σούπα).
· Η θεωρία λοιπόν των βρανών λέει ότι ο 3-διάστατος κόσμος μας είναι μια βράνη, που βρίσκεται μέσα στον 4-διάστατο χώρο που λέγεται όγκος.
· Όπως συμβαίνει και στο στερεοποιημένο λίπος της σούπας, δεν μπορούμε να διαφύγουμε από την βράνη και να βρεθούμε μέσα στον χώρο των περισσοτέρων διαστάσεων που αντιστοιχεί στη σούπα μας.
· Όμως μόνο η βαρύτητα μπορεί να διαφύγει έξω από την βράνη μας και να βρεθεί στην τέταρτη διάσταση.

Αυτή η θεωρία – δηλαδή η θεωρία βρανών – διατυπώθηκε το 1998, πολύ πρόσφατα δηλαδή σε σχέση με τα χρονικά  στάνταρτ της θεωρητικής φυσικής (επιστήμονες επεξεργάζονται διάφορες παραλλαγές της θεωρίας των χορδών εδώ και 30 χρόνια). Τρία άτομα θεωρούνται πατέρες της θεωρίας, ένα από τα οποία ο Nima Arkani-Hamed ήταν μόλις 25 ετών και είχε μόλις αναγορευθεί διδάκτορας από το Berkeley. Σήμερα εργάζεται ως καθηγητής στο τμήμα φυσικής του Harvard. Αυτός και οι συνάδελφοί του Σάββας Δημόπουλος και Gia Dvali, προσπαθούσαν να λύσουν ένα πρόβλημα που ταλαιπωρούσε εξέχοντες επιστήμονες για δεκαετίες, όταν ξαφνικά συνειδητοποίησαν ότι το μόνο που έπρεπε να κάνουν ήταν να υποθέσουν την ύπαρξη μιας ακόμη διάστασης.

Η βαρύτητα και οι πρόσθετες διαστάσεις

Το πρόβλημα που προσπαθούσαν να λύσουν όλοι αυτοί οι ιδιοφυείς επιστήμονες για τόσα χρόνια (και το οποίο συνεχίζει να τους ταλαιπωρεί – για τίποτε από όσα έχουμε αναφερθεί εδώ, δεν υπάρχει η παραμικρή ένδειξη πειραματικής επιβεβαίωσης) ήταν το εξής: Γιατί η βαρύτητα είναι μία ασθενής δύναμη.

Παρόλο που οι άνθρωποι νομίζουν ότι η βαρύτητα είναι η πιο ισχυρή δύναμη στο σύμπαν – είναι η αιτία κίνησης των πλανητών και των χιλιάδων αστρικών σμηνών. Όταν όμως την συγκρίνετε με τις υπόλοιπες δυνάμεις – όπως π.χ. με την ηλεκτρομαγνητική – η βαρύτητα είναι απείρως λιγότερο ισχυρή. Πάρτε για παράδειγμα ένα μικρό μαγνήτη ψυγείου. σκεφτείτε τις δυνάμεις που δέχεται όταν κρατά ακίνητη μια φωτογραφία στη πόρτα του ψυγείου. Η βαρυτική δύναμη που δέχεται από ολόκληρο τον πλανήτη έλκει το σώμα προς τα κάτω, ενώ η μαγνητική δύναμη μιας λεπτής φλούδας από σίδηρο το κρατά κολλημένο στο ψυγείο. Υπερισχύουν αυτά τα λίγα γραμμάρια μαγνητικού υλικού, η έλξη από ολόκληρο τον πλανήτη δεν είναι αρκετή για να την υπερνικήσει.

Η βαρύτητα είναι λοιπόν ασθενική αλλά πολλοί θα έλεγαν ότι έτσι γεννήθηκε. Οι φυσικοί δεν μπορούν να κάνουν τίποτα για ν’ αλλάξουν την ένταση της βαρύτητας. Αυτό που μπορούν να κάνουν, και υποτίθεται ότι το κάνουν, είναι να περιγράψουν την βαρύτητα.

Αυτό όμως είναι σωστό εν μέρει. Μπορεί να υπάρχουν πολλοί τρόποι για να περιγραφεί ένα φυσικό φαινόμενο. Όμως κάθε φαινόμενο πραγματικά συμπεριφέρεται με ένα μόνο τρόπο, υπάρχει μόνο μια φυσική διαδικασία που καθορίζει την εξέλιξη των φαινομένων. Μόνο μια Αλήθεια (με κεφαλαίο Α) στο Σύμπαν.

Σήμερα όσοι ασχολούνται με τη σωματιδιακή φυσική διαθέτουν ένα τρόπο για να περιγράφουν τα φαινόμενα που σχετίζονται με τη βαρύτητα. Και παρόλο που θεωρούν ότι η περιγραφή αυτή είναι χρήσιμη, – προβλέπει με ακρίβεια τα αποτελέσματα των πειραμάτων – δεν πιστεύουν ότι αντανακλά τις πραγματικές φυσικές διαδικασίες που διέπουν το Σύμπαν.

Η σύγχρονη εκδοχή της σωματιδιακής φυσικής φαίνεται να ερμηνεύει τον κόσμο ad hoc, επειδή πρέπει να είναι πολύ προσεκτική στο πως θα επεξεργαστεί αυτή την ασθενή βαρυτική δύναμη, πρέπει να διατυπώσει νέες υποθέσεις και να ρυθμίσει με πολύ μεγάλη ακρίβεια όλες τις δυνατές παραμέτρους, με σκοπό ν’ αναπαραγάγει τη βαρύτητα δικαιολογώντας την πολύ μικρή έντασή της. Όλα τα υπόλοιπα λειτουργούν στην εντέλεια. Μόνο η βαρύτητα είναι το απείθαρχο μέλος όλων των αλληλεπιδράσεων.

Δυστυχώς, για να προχωρήσουμε – για να περιγράψουμε πως ακριβώς η σύγχρονη σωματιδιακή φυσική ερμηνεύει τη βαρύτητα και να καταδείξουμε ότι είναι δύσκολο να δικαιολογηθεί το γεγονός ότι αυτή πρέπει να διαφέρει τόσο πολύ από τις υπόλοιπες δυνάμεις – χρειάζεται να φρεσκάρουμε τις γνώσεις μας σχετικά με τις μοντέρνες θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής. Το συγκεκριμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής – το οποίο έχει ελεγχθεί πειραματικά και τυγχάνει τόσο ευρείας αποδοχής που αποκαλείται καθιερωμένο πρότυπο – αποτελεί το μεγαλύτερο επίτευγμα της σύγχρονης φυσικής κατά το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα. Όλοι θεωρούν ότι είναι ακριβές, παρόλο που κανείς δεν πιστεύει ότι είναι αληθινό. Αυτός που θα καταφέρει να το αντικαταστήσει με κάτι καινούργιο, θα είναι ίσως ο Einstein του 21ου αιώνα.

Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής

Το καθιερωμένο πρότυπο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα πάντα στον υποατομικό κόσμο. Είναι η τελική (προς το παρόν) και πιο γενική (και πάλι προς το παρόν) επέκταση της κβαντικής μηχανικής. Βασικά πρόκειται για ένα κατάλογο με όλα τα στοιχειώδη σωματίδια και ένα σύνολο κανόνων για το πως αλληλεπιδρούν. Και να πως αλληλεπιδρούν.

Τα σωματίδια ανταλλάσσοντας σωματίδια. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο ασκεί δύναμη σε ένα άλλο εκπέμποντας ένα φωτόνιο προς το άλλο ηλεκτρόνιο, το δεύτερο προσλαμβάνει το φωτόνιο και ανταποδίδει. Το ανθρωπομορφικό σχήμα που προτιμάται είναι ότι τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων, χρησιμοποιώντας σωματίδια-μεσολαβητές, όπως τα φωτόνια. Ιδού πως φανταζόμαστε αυτή τη διαδικασία.

Όπως μπορείτε να δείτε πιο πάνω, τα δύο ηλεκτρόνια «επικοινωνούν» ανταλλάσσοντας το φωτόνιο (που εδώ μοιάζει με μπάλα του μπάσκετ). Με αυτές τις βολές, το ένα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από το άλλο, γεγονός που συμφωνεί με όσα παρατηρούμε – τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια απωθούνται αμοιβαία. Με άλλα σωματίδια το αποτέλεσμα μπορεί να είναι έλξη και όχι άπωση, η αρχή όμως παραμένει η ίδια. Αυτό είναι το ουσιώδες σημείο που χρειάζεται για να καταλάβουμε τα υπόλοιπα: μια δύναμη – οποιαδήποτε δύναμη – προκαλείται όταν ένα αντικείμενο εκπέμψει ένα αντικείμενο προς ένα άλλο αντικείμενο. Όσο περισσότερα σωματίδια εκπέμπονται (και προσλαμβάνονται), τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη που ασκείται μεταξύ τους.

Και πως σχετίζεται η βαρύτητα με όλα αυτά;

Η βαρύτητα μοιάζει με οποιαδήποτε άλλη δύναμη και προκαλείται από την εκτόξευση «βαρυτονίων» μεταξύ υλικών σωμάτων. Αυτά τα βαρυτόνια προκαλούν την αμοιβαία έλξη μεταξύ των σωμάτων. Μια άλλη θεωρία βέβαια για τη βαρύτητα, η Γενική Σχετικότητα εξηγεί την ύπαρξη της βαρύτητας επικαλούμενη την καμπύλωση του χωροχρόνου σε αντίθεση με το καθιερωμένο πρότυπο που την εξηγεί με ανταλλαγή βαρυτονίων. Τα προβλήματα ανακύπτουν όταν προσπαθήσουμε να συνδυάσουμε αυτές τις δύο θεωρίες, δηλαδή να περιγράψουμε σωματίδια που έχουν πολύ μεγάλη μάζα αλλά είναι πολύ μικρά, όπως είναι για παράδειγμα οι μαύρες τρύπες. Τα προβλήματα αναφέρονται σε μαθηματικές ασυνέπειες, μηδενισμούς παρονομαστών σε κλάσματα (οι γνωστοί απειρισμοί) και άλλα αποτελέσματα που δεν έχουν νόημα. Η θεωρία των χορδών αναπτύχθηκε τουλάχιστον εν μέρει με σκοπό την αποφυγή αυτών των προβλημάτων και συνδυάζει την κβαντική μηχανική με την Γενική Σχετικότητα.

Τώρα ίσως μπορούμε να καταλάβουμε γιατί το μικρό μέτρο της βαρύτητας αποτελεί ένα τόσο πιεστικό πρόβλημα. Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο, υπάρχει συμμετρία μεταξύ του βαρυτονίου και των υπόλοιπων σωματιδίων-φορέων δυνάμεων. Περιγράφονται με τα ίδια ενοιολογικά εργαλεία. Από αυτή την κοινή περιγραφή συνεπάγεται ότι οι δυνάμεις που παράγουν τα σωματίδια θα έπρεπε να είναι παρεμφερείς, τόσο ως προς τη φύση τους όσο και ως προς το μέγεθος. Τόσο η βαρύτητα όσο και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη για παράδειγμα μειώνονται με το τετράγωνο της απόστασης. Κι όμως όπως είδαμε η βαρύτητα είναι κατά πολύ ασθενέστερη από όλες τις άλλες δυνάμεις. 

Και έτσι μας απομένει το ερώτημα:

Τι είναι αυτό που κάνει τη βαρύτητα τόσο ξεχωριστή περίπτωση;

Ας δούμε τη θεωρία βρανών. Ας θυμηθούμε ότι η θεωρία αυτή έθεσε ως αξίωμα ότι ζούμε παγιδευμένοι στον τρισδιάστατο κόσμο μας, ο οποίος εμπεριέχεται μέσα σε χώρο περισσοτέρων διαστάσεων. Στην πραγματικότητα κανένα από τα γνωστά μας αντικείμενα δεν μπορεί να κινηθεί μέσα σ’ αυτό το χώρο – ούτε τα ηλεκτρόνια, ούτε τα κουάρκς, ούτε κανένας άλλος –  εκτός από τη βαρύτητα. Μόνο αυτή μπορεί να διαδοθεί σε περισσότερες διαστάσεις. Καθώς λοιπόν τα βαρυτόνια διαχέονται σ’ αυτό το χώρο των περισσοτέρων διαστάσεων, ελαττώνεται ο αριθμός αυτών που απομένουν στον 3-διάστατο κόσμο μας για ν’ αναπτύξουν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των υλικών αντικειμένων. Όταν μειώνεται ο αριθμός των σωματιδίων φορέων, η αντίστοιχη δύναμη γίνεται ασθενέστερη.

Φαντασθείτε ότι είστε ένα βαρυτόνιο. Τα βαρυτόνια όπως και τα φωτόνια δεν έχουν μάζα και ως άμαζα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας ότι κινείται με την ταχύτητα του φωτός δεν αντιλαμβάνεται την πάροδο του χρόνου. Σ’ εσάς λοιπόν που κινείστε με την ταχύτητα του φωτός το Σύμπαν σας φαίνεται θεμελιωδώς μεγαλύτερο.

 Εσείς μπορείτε σε αντίθεση με τα άλλα σωματίδια να κινηθείτε σε μια ακόμη διάσταση, την τέταρτη διάσταση του χώρου.

Τώρα το μέγεθος και το σχήμα αυτής της πρόσθετης τέταρτης διάστασης είναι ακόμη αμφιλεγόμενα. Υπάρχουν τρεις εναλλακτικές εκδοχές.

1) Η επιπλέον διάσταση είναι μικρή και κυκλική, αν και όχι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις πραγματικά μικροσκοπικές διαστάσεις που συνδέονται με τη θεωρία χορδών.
Μπορεί να φτάνει σε μήκος το 1mm. Για τη σωματιδιακή φυσική το 1mm είναι ότι για την καθημερινή μας εμπειρία η απόσταση της Γης από τον πλησιέστερο κβάζαρ. Πρόκειται για εξαιρετικά μεγάλο μήκος. Γι αυτό το λόγο η θεωρία βρανών ονομάστηκε αρχικά, θεωρία των μεγάλων πρόσθετων διαστάσεων. Κάθε επιπλέον διάσταση είναι κουλουριασμένη σε ένα κύκλο. Έτσι αν είσαστε βαρυτόνιο θα μπορούσατε να κινηθείτε σ’ αυτή την κυκλική διάσταση σε κάθε σημείο του χώρου, ενώ ταυτόχρονα θα κινείστε σε μια ευθεία γραμμή μέσα στις γνωστές μας τρεις διαστάσεις.

2) Η πρόσθετη διάσταση είναι άπειρου μεγέθους.
Είμαστε εξοικειωμένοι με τις άπειρες διαστάσεις. Στην πραγματικότητα οι τυπικές διαστάσεις μέσα στις οποίες κινούμαστε στην καθημερινή μας εμπειρία φαίνονται άπειρου μεγέθους. Θα μπορούσαμε θεωρητικά να επιλέξουμε μια κατεύθυνση – ας πούμε προς τα επάνω – και να κινηθούμε πάνω σ’ αυτήν για πάντα χωρίς ποτέ να επιστρέψουμε στην ίδια θέση, χωρίς ποτέ να καταλήξουμε σε κάποιο τέλος. Όταν η Lisa Randall και ο  Raman Sundrum – που σήμερα εργάζονται στο Harvard και στο John Hopkins αντίστοιχα – πρότειναν για πρώτη φορά την πιθανότητα μιας άπειρης τέταρτης διάστασης, το 1999, ήταν η πρώτη φορά που θεωρήθηκε βάσιμο το ενδεχόμενο η επιπρόσθετη διάσταση να μη χρειάζεται να είναι μικροσκοπική για να παραμένει αόρατη.

Αν μόνο τα βαρυτόνια μπορούν να κινηθούν σ’ αυτήν την επιπλέον διάσταση, τότε θα μπορούσε να είναι απόλυτα ευθύγραμμη και άπειρου μεγέθους, χωρίς ποτέ να μπορούμε να το διαπιστώσουμε. Η πρόταση αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι εισηγείται μια νέα διάσταση απόλυτα όμοια με τις συνηθισμένες που γνωρίζουμε καλά. Με τη μόνη διαφορά ότι μόνο τα βαρυτόνια την αισθάνονται.

3) Η ύπαρξη ενός παράλληλου σύμπαντος
Παρατηρείστε ότι οι δύο αυτές απαιτούν μια μόνο επιπλέον διάσταση. (Σε κάποιες παραλλαγές αυτών των θεωριών προτείνεται η ύπαρξη δύο ή τριών – η μία όμως από αυτές είναι απαραίτητη). Ο λόγος είναι ότι η βαρύτητα χρειάζεται αρκετό επιπλέον χωροχρόνο για να διαχυθεί και να εξασθενήσει. Η περίπλοκη δομή που θ’ αποδώσετε στον χώρο αυτό – είτε βάσει της θεωρίας των χορδών, είτε βάσει μιας άλλης θεωρίας που ονομάζεται υπερσυμμετρία είτε επιλέγοντας κάποια τρίτη, εντελώς διαφορετική – αποτελεί ουσιαστικά λεπτομέρεια.

Αυτή όμως η τρίτη εναλλακτική εκδοχή δεν αποτελεί απλώς συνδυασμό της θεωρίας των χορδών και της θεωρίας βρανών, έναν τρόπο να εντάξουμε καινοτόμες ιδέες στο ίδιο εννοιολογικό πλαίσιο. Σύμφωνα με αυτή την εκδοχή, οι πρόσθετες διαστάσεις είναι δύο, ευθύγραμμες και πεπερασμένες, οι οποίες μας οδηγούν σε ένα παράλληλο Σύμπαν.

Θυμάστε ότι η θεωρία των χορδών αξιώνει ότι ζούμε σε ένα κόσμο 10 διαστάσεων; 

Φαντασθείτε λοιπόν ότι αντί να ζούμε σ’ ένα 4-διάστατο χώρο (3 χωρικές και 1 χρονική διάσταση) και οι υπόλοιπες 6 διαστάσεις να είναι κουλουριασμένες σε τόσο μικρά σφαιρίδια, που δεν υπάρχει περίπτωση να τις παρατηρήσουμε ποτέ άμεσα, υπάρχου δύο 4-διάστατοι χώροι: Ο δικός μας και ένας άλλος που βρίσκεται σε μικρή απόσταση από τον πρώτο. Μια 2-διάστατη επιφάνεια συνδέει αυτές τις δύο βράνες, άρα οι διαστάσεις είναι 4+4+2 = 10. Το συμπέρασμα είναι ότι ανέκαθεν υπήρχε μια άλλη βράνη, σε απόσταση 1 mm περίπου από τη δική μας, στην οποία δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ταξιδέψουμε επειδή δεν είμαστε βαρυτόνια. Είναι το είδος των υποθέσεων το οποίο όσοι ασχολούνται με τη θεωρία των χορδών δεν αποκαλούν «ξεκάθαρα γελοίο» αλλά  παραφράζοντάς το «στρυφνό, εφιαλτικό σενάριο»! Είναι πάντως συνεπής από μαθηματική άποψη, ακόμη κι αν συνθλίβει την κοινή λογική μας.

Όσα είπαμε πιο πάνω αποτελούν πραγματικά τις εμπειρίες ενός φανταστικού ταξιδιού, για να χρησιμοποιήσω μετριοπαθή έκφραση. Αυτές οι θεωρίες αγγίζουν τα όρια της ανθρώπινης λογικής. Κανείς δεν γνωρίζει αν κάποια από αυτές ισχύει πραγματικά, επειδή κανείς δεν έχει προσδιορίσει πως θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την αλήθεια τους με βάση το φυσικό κόσμο. Αυτές οι θεωρίες όμως θα αποσαφηνιστούν προοδευτικά τόσο σ’ αυτούς που τις επεξεργάζονται όσο και σε μας. Η φιλοδοξία είναι να κατασκευαστεί μια Αληθινή θεωρία του Σύμπαντος, η οποία θα περιγράφει ένα Σύμπαν το οποίο θα μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως, χωρίς όμως σήμερα να μπορούμε να το φανταστούμε πως θα είναι.

 

Η βαρύτητα προέρχεται από ένα παράλληλο σύμπαν δημιουργώντας έτσι την «σκοτεινή ενέργεια».

Οι θεωρητικοί φυσικοί των χορδών Neil Turok του Πανεπιστημίου του Cambridge και Paul Steinhardt, διευθυντής του Κέντρου για τις Θεωρητικές Επιστήμες στο Princeton, πιστεύουν ότι ο Κόσμος που βλέπουμε – ως αποτέλεσμα ενός Big Bang – στην πραγματικότητα δημιουργήθηκε από μια κυκλική σύγκρουση δύο Κόσμων (που περιγράφονται από τους θεωρητικούς σαν τρισδιάστατες βράνες συν μια διάσταση του χρόνου) – διάρκειας ενός τρισεκατομμυρίου ετών, και οι οποίες βράνες-κόσμοι ελκύονται μεταξύ τους, λόγω της διαρροής της βαρύτητας έξω από ένα από τα σύμπαντα.

 Οι θεωρητικοί φυσικοί των χορδών Neil Turok του Πανεπιστημίου του Cambridge και Paul Steinhardt, διευθυντής του Κέντρου για τις Θεωρητικές Επιστήμες στο Princeton, πιστεύουν ότι ο Κόσμος που βλέπουμε – ως αποτέλεσμα ενός Big Bang – στην πραγματικότητα δημιουργήθηκε από μια κυκλική σύγκρουση δύο Κόσμων (που περιγράφονται από τους θεωρητικούς σαν τρισδιάστατες βράνες συν μια διάσταση του χρόνου) – διάρκειας ενός τρισεκατομμυρίου ετών, και οι οποίες βράνες-κόσμοι ελκύονται μεταξύ τους, λόγω της διαρροής της βαρύτητας έξω από ένα από τα σύμπαντα.

Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, το Big Bang δεν ήταν η αρχή του χρόνου, αλλά το πέρασμα σε ένα παρελθόν γεμάτο ατελείωτες κυκλικές επαναλήψεις εξέλιξης, που κάθε μία συνοδεύεται από τη δημιουργία νέας ύλης και το σχηματισμό νέων γαλαξιών, άστρων και πλανητών.

Οι Turok και Steinhardt εμπνεύστηκαν την θεωρία τους από μια διάλεξη που έδωσε ο Burt Ovrut, που φαντάστηκε δύο βράνες – σύμπαντα σαν το δικό μας, διαχωρισμένες από ένα μικρό κενό πλάτους 10-32 μέτρων. Μεταξύ τους δεν υπήρχε καμία εκτός από τη βαρυτική έλξη του παράλληλου αδελφού-σύμπαντος , που θα μπορούσε να διασχίσει το μικρό κενό.

Η θεωρία του Orvut συν τοις άλλοις θα μπορούσε να εξηγήσει και το φαινόμενο της σκοτεινής ύλης, όπου περιοχές  του σύμπαντος φαίνονται να έχουν περισσότερη μάζα (βαρύτητα) από ό,τι έπρεπε σύμφωνα με την ορατή μάζα που βλέπουμε σήμερα. Με τη θεωρία τους, τα δύσκολα προβλήματα που σχετίζονται με το Big Bang (πώς άρχισε και από τι προκλήθηκε;), αντικαθίστανται από ένα αιώνιο κοσμικό κύκλο, όπου η σκοτεινή ενέργεια δεν αποτελεί πλέον μια μυστηριώδη άγνωστη ποσότητα, αλλά είναι η ίδια η επιπλέον βαρυτική δύναμη που ωθεί το σύμπαν να αλληλεπιδράει προς το άλλο σύμπαν  (βράνη με βράνη).

Ποια  είναι  τελικά  η απάντηση σε ένα από τα σημαντικότερα ερωτήματα της φυσικής;  Γιατί  η βαρύτητα έχει μικρότερη τιμή από τις υπόλοιπες θεμελιώδεις δυνάμεις. Μήπως  αυτό  οφείλεται στο ότι ένα μέρος της βαρυτικής δύναμης «διαρρέει» στις επιπλέον διαστάσεις, με αποτέλεσμα να μετριέται εξασθενημένη στον τετραδιάστατο χωροχρόνο;

Μήπως  στις έξτρα διαστάσεις υπάρχουν παράλληλα σύμπαντα;

 «Όπως πολλά παράλληλα φύλλα χαρτιού, τα οποία είναι δισδιάστατα αντικείμενα μόνο με πλάτος και μήκος, μπορούν να συνυπάρξουν σε μια τρίτη διάσταση (το ύψος), έτσι και μπορούν να συνυπάρξουν παράλληλα σύμπαντα σε περισσότερες διαστάσεις», αναφέρει χαρακτηριστικά στο  σάιτ Phys.org ο Mir Faizal από το Πανεπιστήμιο του Οντάριο.

ΖΗΝΩΝ  ΠΑΠΑΖΑΧΟΣ