Οι σκέψεις του Θεού: Πρακτικά βήματα προς μία Θεωρία των Πάντων

• Του Don Lincoln, Fermilab, Chicago
  
• Από το The Physics Teacher Magazine

Περίληψη

Το 1922, ο Αϊνστάιν μιλούσε με τη νεαρή Esther Salaman κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης βόλτας. Αυτή του έλεγε για τα όνειρα και τους στόχους της και αυτός μοιραζόταν μερικές από τις σκέψεις του. Ανάμεσα στις σκέψεις του ταξιδιού, περιέγραψε τον πυρήνα της κατευθυντήριας πνευματικής αρχής του, όταν είπε, “Θέλω να ξέρω πώς ο Θεός δημιούργησε τον κόσμο [wie sich Gott Die Welt beschaffen]. Δεν με ενδιαφέρει το ένα ή το άλλο φαινόμενο, στο φάσμα του ενός ή του άλλου στοιχείου. Θέλω να ξέρω τις σκέψεις του. Τα υπόλοιπα είναι απλές λεπτομέρειες.”

Δεν έχει σημασία η γνώμη σου για τη θρησκεία, αν είσαι ένας ένθερμος οπαδός της ή ένας απολογητής της αθεΐας. Η φράση “οι σκέψεις του Θεού” είναι μία απολαυστική ποιητική έκφραση. Αντιπροσωπεύει, με ένα μεταφορικό τρόπο, τίποτα λιγότερο από την κατανόηση των βαθύτερων και πιο θεμελιωδών νόμων του σύμπαντος. Συγκεκριμένα, η ελπίδα είναι ότι κάποια μέρα θα είμαστε σε θέση να εξηγήσουμε όλο το καλειδοσκόπιο της ύλης και των φαινομένων που βλέπουμε καθώς κοιτάζουμε γύρω μας, όπως προκύπτουν από ένα μικρό αριθμό δομικών στοιχείων και ίσως με μία ενιαία δύναμη. Αυτό αναμφίβολα θα είναι ένα εκπληκτικό επίτευγμα, αλλά είναι εξαιρετικά απίθανο ότι θα συμβεί σύντομα. Αντ ‘αυτού, είναι πιο πιθανό ότι θα έχουμε προοδευτικά επιτεύγματα, τα οποία μια μέρα θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν στην επιτυχία. Σε αυτό το άρθρο, θα ήθελα να επανεξετάσουμε ό,τι  ξέρουμε μέχρι στιγμής και να επιστήσω την προσοχή σας σε κενά στις τρέχουσες θεωρίες μας, που μπορεί να παρέχουν ενδείξεις για το επόμενο μεγάλο βήμα. Αυτός είναι ο πυρήνας της σκέψης που με ώθησε σ’ αυτό το άρθρο. Αντί να κάνουμε εικασίες για μια απίθανη και φαντεζί προώθηση της θεωρίας, το άρθρο επικεντρώνεται σε ρεαλιστικές προόδους που θα μπορούσαμε να κάνουμε στα επόμενα λίγα χρόνια.

Σε γενικές γραμμές, υπάρχουν δύο παράλληλα και ως επί το πλείστον ανεξάρτητα βήματα για την κατανόηση του σύμπαντος. Το πρώτο είναι μια θεωρία που διέπει τον κβαντικό κόσμο και το δεύτερο είναι μια θεωρία της βαρύτητας που εξηγεί τον Κόσμο σε μεγαλύτερη κλίμακα. Κάνοντας ένα άλμα προς τα μπρος ώστε να γνωρίζετε για τι πράγμα μιλάω, αυτά τα δύο εξαιρετικά πνευματικά επιτεύγματα είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και η Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Εύχομαι να μπορέσω να σκιαγραφίσω εν συντομία τις δύο από αυτές ιδέες, πριν μιλήσω για τις προκλήσεις και τις ενδείξεις που βασίζονται οι επιστήμονες  για να κάνουν το επόμενο βήμα προς τη θεωρία των πάντων.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο

Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι το αμάλγαμα πολλών από τις καλύτερες γνωστές θεωρίες. Περιλαμβάνει μία από τις πιο εντυπωσιακές επιστημονικές ανακαλύψεις, ειδικότερα τις εξισώσεις του Maxwell, οι οποίες ένωσαν σε μία ενιαία θεωρία τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, αλλά και εξήγησαν την κλασική θεωρία του φωτός. Το Καθιερωμένο Μοντέλο περιλαμβάνει επίσης την κβαντική μηχανική, η οποία εξήγησε τελικά τα πρότυπα που φαίνονται στον χημικό περιοδικό πίνακα και ξεκαθάρισε πράγματα, όπως το φάσμα του φωτός που εκπέμπεται από τα λαμπερά αέρια και τις λεπτομέρειες για το πώς λειτουργούν πραγματικά οι ατομικοί και χημικοί δεσμοί.

Η ιστορία της κβαντικής μηχανικής έχει ειπωθεί πολλές φορές στο παρελθόν. Οι Planck, deBroglie, Schrödinger, Heisenberg, Bohr και όλα τα άλλα γνωστά ονόματα, επεξεργάστηκαν την κβαντισμένη φύση του ατόμου, ενώ οι Hertz, Young, Einstein και άλλοι, ξεχώρισαν τη φύση του φωτονίου. Οι Thompson, Rutherford, Chadwick και οι σύγχρονοί τους, ανακαλύψαν τα συστατικά του πυρήνα του ατόμου.

Αυτό το πάνθεον των μεγάλων μυαλών μάς δίδαξε ότι όλη η χημεία θα μπορούσε να εξηγηθεί ως ένας ατελείωτος συνδυασμός των τριών σωματιδίων: πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων, που διέπονται από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής και της δύναμης του ηλεκτρομαγνητισμού. Έτσι, αυτό ήταν ήδη μία απίστευτη απλούστευση στην κατανόηση μας για τον κόσμο. Τρία σωματίδια, μία δύναμη και μερικές κβαντικές αρχές εξήγησαν τη συμπεριφορά της ύλης.

Φυσικά αυτή η αντίληψη ήταν ελλιπής. Ο 20ος αιώνας έφερε μαζί του την ανακάλυψη της ραδιενεργής ακτινοβολίας με μία ποικιλία μορφών. Το πυρηνικό άτομο του Rutherford, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί από τον ηλεκτρομαγνητισμό. Πράγματι, ένας απλός υπολογισμός της απωστικής ηλεκτρομαγνητικής δύναμης μεταξύ δύο γειτονικών πρωτονίων δείχνει ότι το μέγεθός της είναι 90Ν. Δεδομένης της σταθερότητας των ατόμων, αυτό τόνιζε με σαφήνεια την ύπαρξη μιας ακόμη πιο ισχυρής ελκτικής πυρηνικής δύναμης. Η παρατήρηση της βήτα ακτινοβολίας υπονοεί μία ακόμη πυρηνική δύναμη, η οποία είναι πολύ ασθενέστερη από ό, τι οι άλλες. Αυτές οι τρεις δυνάμεις, ο ηλεκτρομαγνητισμός και οι ασθενείς και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, καλύπτουν τις γνωστές δυνάμεις του υποατομικού βασίλειου.

Στο χρονικό διάστημα που κυμαίνεται από τη δεκαετία του 1930 μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1960 περιπλέκεται περαιτέρω η κατανόηση του μικρόκοσμου. Πρώτα, από τα ίχνη – φάντασμα που άφηναν οι κοσμικές ακτίνες από το διάστημα στους πρωτόγονους ανιχνευτές ψηλά στα βουνά και που ακολουθήθηκαν από πειράματα με τη χρήση επιταχυντών σωματιδίων, οι επιστήμονες πλούτισαν τις γνώσεις τους από τις εκατοντάδες διαφορετικά είδη εφήμερων σωματιδίων που δεν έπαιζαν κανένα πραγματικό ρόλο στον κόσμο μας. Αυτές οι νέες παρατηρήσεις εισήγαγαν πρόσθετες  θεωρίες στο αργά συσσωρευόμενο μοντέλο μας της ύλης. Η κβαντομηχανική ήταν απλώς μόνο η αρχή της διαδικασίας.

Το 2016 συνδυάσαμε αυτές τις παρατηρήσεις και οικοδομήσαμε ένα εξελιγμένο μοντέλο του υποατομικού βασίλειου. Δεν είναι πλέον τα πρωτόνια και τα νετρόνια τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία, αν και το ηλεκτρόνιο εξακολουθεί να διατηρεί αυτόν τον τίτλο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Υπάρχουν έξι γνωστά κουάρκ, με ιδιόμορφα ονόματα. Τα up, charms, και top κουάρκ όλα έχουν ηλεκτρικό φορτίο τα +2/3 του πρωτονίου, ενώ τα down, strange, και bottom κουάρκ έχουν ηλεκτρικό φορτίο το -1/3. Τα up και down κουάρκ βρίσκονται στα πρωτόνια και τα νετρόνια, ενώ τα άλλα είναι βραχύβια και θα πρέπει να δημιουργηθούν σε επιταχυντές σωματιδίων. Το εύρος της μάζας των κουάρκ είναι μεγάλο, από το ελαφρύ up κουάρκ, με μάζα μικρότερη από 1% αυτής του πρωτονίου, στο σούπερ βαρύ top κουάρκ, με μάζα περίπου 183 φορές βαρύτερο από ένα πρωτόνιο.

Υπάρχουν επίσης σωματίδια που ονομάζονται λεπτόνια, εκ των οποίων το ηλεκτρόνιο είναι το πιο γνωστό. Υπάρχουν έξι λεπτόνια. Τρία από αυτά φέρουν ηλεκτρικό φορτίο: το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και ταυ, και όλα τους έχουν το ίδιο φορτίο. Τα άλλα τρία ονομάζονται νετρίνα και δεν έχουν καθόλου ηλεκτρικό φορτίο. Τα κουάρκ αισθάνονται όλες τις γνωστές δυνάμεις, ενώ τα φορτισμένα λεπτόνια δεν αισθάνονται την ισχυρή δύναμη. Τα νετρίνα είναι τα φαντάσματα του υποατομικού κόσμου, νιώθουν μόνο την ασθενή δύναμη και τη βαρύτητα, η οποία είναι αμελητέα στην κβαντική σφαίρα.

Οι τρεις γνωστές υποατομικές δυνάμεις έχουν όλες κβαντισμένες θεωρίες που ενσωματώνουν τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Κάθε δύναμη απαιτεί τουλάχιστον ένα σωματίδιο μεταφοράς δύναμης ως μεσολαβητή της δύναμης αυτής. Ο ηλεκτρομαγνητισμός έχει το φωτόνιο και περιγράφεται από τη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη περιγράφεται από τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής και μεταφέρεται από τα γλουόνια. Και τέλος, το όνομα της θεωρίας της ασθενούς δύναμης είναι απλά “η θεωρία της ασθενούς δύναμης.” Τα σωματίδια που μεταδίδουν την ασθενή δύναμη είναι τα μποζόνια W και Z.

Αυτά τα 12 σωματίδια της ύλης, σε συνδυασμό με τέσσερα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις (φωτόνιο, γκλουόνιο και μποζόνια W και Z), αποτελούν τη βάση της σύγχρονης κατανόηση της ύλης. Η κατανόησή μας ολοκληρώνεται με την προσθήκη του πεδίου Higgs, που διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1964 και ανακαλύφθηκε το 2012. Το πεδίο Higgs και το συνδεδεμένο με αυτό μποζόνιο Higgs δίνει μάζα στα θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια και φαίνεται στην Εικ. 1. Το πεδίο Higgs παίζει ρόλο στην ενοποίηση του ηλεκτρομαγνητισμού και της ασθενούς δύναμης, που έδειχναν ότι ήταν διαφορετικοί τρόποι για να εξετάσουμε μια βαθύτερη και πιο θεμελιώδη δύναμη που ονομάζεται ηλεκτρασθενής δύναμη, όπως απεικονίζεται στην Εικ. 2. Είναι κάτι ανάλογο με αυτό το οποίο δεν ήταν αρχικά προφανές ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ήταν πραγματικά συστατικά του ηλεκτρομαγνητισμού.

Στο σύνολό τους, αυτά τα σωματίδια και οι δυνάμεις αποτελούν το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο είναι η πιο σύγχρονη αντίληψη μας για τον υποατομικό κόσμο. Χρησιμοποιώντας αυτά τα σωματίδια και τις δυνάμεις, μπορούμε να περιγράψουμε τα πάντα που έχουμε παρατηρήσει, από το πώς πετούν τα πουλιά, για το πώς ένα παγόβουνο επιπλέει, για το πώς καίει ο ήλιος. Είναι πραγματικά ένας θρίαμβος της ανθρώπινης διάνοιας.

Η γενική σχετικότητα

Ωστόσο, το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι αρκετά σιωπηλό σχετικά με την πιο προφανή δύναμη στο σύμπαν: τη βαρύτητα. Στην πραγματικότητα, δεν γνωρίζουμε τίποτα για τη φύση της βαρύτητας στον κβαντικό κόσμο.

Αυτό όμως δε σημαίνει ότι δεν ξέρουμε τίποτα γιά τη βαρύτητα. Ξεκινώντας με την ενοποίηση της ουράνιας και επίγειας βαρύτητας από το Νεύτωνα στα τέλη του 17ου αιώνα, ο Αϊνστάιν άλλαξε τα πάντα όταν φώτισε με επιτυχία τη φύση της βαρύτητας, όπως προκαλείται από την στρεύλωση του χώρου και του χρόνου από την ενέργεια και την ύλη, όπως απεικονίζεται στην Εικ. 3. Περιέγραψε τη βαρύτητα  κατ ‘ουσίαν ως γεωμετρία του σύμπαντος. Αυτή η θεωρία της γενικής σχετικότητας μπορεί να εξηγήσει την τροχιά των πλανητών, την περιστροφή των γαλαξιών, τα βάθη των μαύρων οπών και την επέκταση του ίδιου σύμπαντος.

Προς μια θεωρία των πάντων

Στο σύνολό τους, το Καθιερωμένο Μοντέλο και η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας αποτελούν την τρέχουσα καλύτερη θεωρία μας για τα πάντα. Εξηγούν και προβλέπουν τα αποτελέσμτα αμέτρητων μετρήσεων. Ωστόσο, ούτε ατομικά ούτε από κοινού, δεν αποτελούν μια πραγματική θεωρία των πάντων. Υπάρχουν πολλοί λόγοι γι ‘αυτό. Πρώτα από όλα, η γενική σχετικότητα καταρρέει όταν εφαρμόζεται στην κβαντική σφαίρα. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι εξισώσεις προβλέπουν αδύνατα, όπως άπειρη ενέργεια και πιθανότητες που υπερβαίνουν το 100%. Αλλά αυτό είναι μόνο μια ένδειξη ότι αυτές οι θεωρίες είναι ελλιπείς. Δε γνωρίζουμε γιατί υπάρχουν έξι τύποι κουάρκ και έξι τύποι λεπτόνια, όταν δύο από την κάθε κατηγορία είναι αρκετά για να περιγράψουν τη συνηθισμένη ύλη. Θα μπορούσε, με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο τα μόρια περιέχουν άτομα και τα άτομα περιέχουν πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, τα κουάρκ και τα λεπτόνια να αποτελούνται από ακόμα μικρότερα πράγματα. Ενδεχομένως τα σχέδια των κουάρκ και τα λεπτόνια μπορεί να εξηγηθούν από δομικά στοιχεία που είναι μικρότερα τόσο σε αριθμό όσο και σε μέγεθος.

Επίσης, δε γνωρίζουμε γιατί υπάρχουν τόσες πολλές δυνάμεις, όταν ελπίζουμε ότι η τελική θεωρία χρειάζεται μόνο μία. Ενώ αυτό είναι μια θεωρητική προκατάληψη, είναι όμως μια ιστορική τάση, με την ενοποίηση της ουράνιας με την επίγεια βαρύτητα, του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό, και, τέλος, του ηλεκτρομαγνητισμού με την ασθενή πυρηνική δύναμη. Ίσως η ηλεκτρασθενής δύναμη και η ισχυρή δύναμη θα μπορούσαν να ενοποιηθούν σε αυτό που ονομάζουμε προσωρινά μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία ή ΜΕΘ. Και, κάνοντας μεγάλα όνειρα, η ΜΕΘ και η βαρύτητα θα μπορούσαν να ενοποιηθούν σε μια ενιαία θεωρία των πάντων ή ΕΘΠ.

Είναι σαφές τι συνεπάγεται το όνειρο μιας θεωρίας των πάντων. Ένα ενιαίο δομικό στοιχείο, που διέπεται από μια ενιαία δύναμη, είναι ο μεγάλος στόχος. Και θα ήταν ιδανικό αν η θεωρία καθιστούσε σαφές γιατί τα πράγματα είναι όπως είναι και όχι αλλιώς. Ουσιαστικά, ελπίζουμε ότι, κατά κάποιο τρόπο, ο ορισμός ενός σύμπαντος δε δίνει άλλες επιλογές εκτός από το σύμπαν στο οποίο ζούμε. Αυτό περιγράφεται συχνά ως ενοποίηση όλων των φαινομένων σε σημείο που η τελική εξίσωση μπορεί να γραφτεί σε ένα t-shirt.

Επομένως, πώς θα προχωρήσουμε; Λοιπόν, σε πολλές δημοφιλείς κατεργασίες, αυτό που παρουσιάζεται είναι η έπαρση ότι κάποια μέρα μέσα στα επόμενα λίγα χρόνια, μια ιδιοφυΐα θα καταλήξει σε μια ιδέα που θα ταιριάζει στους υπολογισμούς. Ακόμη και στο πρόσφατο παρελθόν, μια θεωρία που ονομάζεται υπερχορδές και έγινε δημοφιλής, θεωρούσε ότι το τελικό δομικό στοιχείο είναι μία ενιαία μικροσκοπική χορδή μεγάθους περίπου 10^-35 μέτρα. Η ύλη και τα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις ήταν απλώς διαφορετικά δονούμενοι τρόποι του ενιαίου αυτού τύπου χορδών. Αυτή η ιδέα είναι ελκυστική επειδή είναι διανοητικά συμπαγής και επιπλέον υπήρξαν και κάποιες θεωρητικές προόδοι της ιδέας. Ωστόσο, το βασίλειο της φυσικής ενέργειας για αυτή τη θεωρία είναι 10¹⁵ φορές μεγαλύτερο από το προσβάσιμο όριο του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), που είναι ο ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων που κατασκευάστηκε ποτέ. Και αυτό θα έπρεπε να σηκώνει μια πνευματική σημαία σε σας. Για παράδειγμα, σκεφτείτε το ευρύ φάσμα των φαινομένων που υπάρχει μεταξύ της ενεργειακής κλίμακας του LHC (10¹³ eV) και μίας κλίμακας κατά έναν συντελεστή 10¹⁵ πιο κάτω (10^-2 eV). Αυτή η χαμηλότερη ενεργειακή κλίμακα περιγράφει τους πιο αδύνατος χημικούς δεσμούς. Αλλά μεταξύ των δύο, υπάρχει η φύση του ατόμου, η πυρηνική φυσική,η ραδιενεργός ακτινοβολία και η φυσική των σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Δεν μπορεί να φανταστεί κανείς ότι οι επιστήμονες δεν θα συναντήσουν νέα φαινόμενα που κανείς δεν περίμενε ποτέ, καθώς θα προσπαθούσαν να επιτύχουν ενέργειες σύγκρουσης στην κλίμακα των υπερχορδών. Έτσι, μου φαίνεται ότι η ανάπτυξη μιας θεωρίας των πάντων με βάση αυτά που γνωρίζουμε σήμερα είναι ένας υπερβολικά φιλόδοξος στόχος. Επομένως τι μπορεί να γίνει με μια πιο πρακτική προσέγγιση;

Βήματα μωρού

Καθώς οι σύγχρονοι φυσικοί στοχάζονται πάνω στο τι θα πρέπει να είναι μια θεωρία των πάντων, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η θεωρητική κατανόηση των νόμων του σύμπαντος έχει παραμείνει στάσιμη για σχεδόν 50 χρόνια, από τότε που αναπτύχθηκε το Καθιερωμένο Μοντέλο και πάνω από 100 χρόνια, από τότε που ο Αϊνστάιν διαισθάνθηκε τις διορατικές του ιδέες για τη βαρύτητα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι δύο αυτές θεωρίες έχουν κάνει μια εξαιρετική δουλειά που περιγράφονται από πάρα πολλές μετρήσεις. Αλλά υπάρχουν άλυτα μυστήρια. Και εκεί είναι που πρέπει να στρέψουμε την προσοχή μας. Όπως ακριβώς αν τραβήξουμε δυνατά ένα χαλαρό νήμα μπορεί να ξετυλίξει ένα πουλόβερ, ίσως ένα από τα φαινόμενα που παραμένει ανεξήγητο από τη σύγχρονη επιστήμη, μπορεί να επιτρέψει τους θεωρητικούς φυσικούς να υφάνουν ένα καλύτερο μοντέλο.

Αλλά ποια είναι τα πιο φλέγοντα άλυτα ζητήματα και ποιες είναι οι ιδέες που οι επιστήμονες διερευνούν και θα μπορούσαν να τα εξηγήσουν;

Ο σκοτεινός κόσμος

Το Καθιερωμένο Πρότυπο εξηγεί ουσιαστικά όλα τα φαινόμενα που παρατηρούνται στον κόσμο της συνηθισμένης ύλης, δηλαδή τον κόσμο των ατόμων. Ωστόσο, ίσως μία από τις πιο συγκλονιστικές διαπιστώσεις της σύγχρονης φυσικής είναι ότι η ύλη από άτομα δεν είναι παρά μόνο ~5% της μάζας και της ενέργειας του σύμπαντος. Κατά τα τελευταία 20 χρόνια, οι επιστήμονες έχουν συνειδητοποιήσει ότι υπάρχουν δύο άλλες ουσίες που κυριαρχούν το σύμπαν. Ονομάζονται σκοτεινή ύλη (~ 23%) και σκοτεινή ενέργεια (~73%), όπως φαίνεται στην Εικ. 4. Η σκοτεινή ύλη είναι μια μορφή μη φωτοβόλας ύλης, που καλείται να εξηγήσει, γιατί οι γαλαξίες περιστρέφονται πιο γρήγορα από ό, τι μπορεί να εξηγηθεί από τους γνωστούς νόμους της φυσικής και της παρατηρούμενης φωτεινής ύλης, καθώς και να εξηγήσει την εσωτερική δυναμική των μεγάλων σμηνών των γαλαξιών. Η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα πεδίο ενέργειας στο σύμπαν που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Μια μορφή της σκοτεινής ενέργειας που ονομάστηκε κοσμολογική σταθερά, προτάθηκε το 1917 από τον Αϊνστάιν ως μηχανισμός που αποσκοπούσε στο να διασώσει τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, που μόλις είχε αναπτύξει, η οποία φάνηκε να προβλέπει ένα δυναμικό σύμπαν και συγκρούονταν με τις θεωρητικές προκαταλήψεις της εποχής περί του στατικού και αιώνιου σύμπαντος. Με την παρατήρηση της διαστολής του σύμπαντος το 1929, η κοσμολογική σταθερά εγκαταλείφθηκε, μόνο για να βρει την αναγέννησή της το 1998, όταν παρατηρήθηκε ότι το σύμπαν όχι μόνο επεκτείνεται αλλά και επιταχύνεται. Το όνομα “σκοτεινή ενέργεια” επινοήθηκε τον Απρίλιο του ίδιου έτους.

Για να εκτιμήσουμε τη σημασία του να πετύχουμε μια κατανόηση του σκοτεινού τομέα για την ανάπτυξη μιας μελλοντικής θεωρίας των πάντων, πρέπει να κατανοήσουμε το εύρος των προτεινόμενων εξηγήσεων. Για παράδειγμα, στη σκοτεινή ύλη, είναι κοινά αποδεκτό ότι αυτή είναι μια σωματιδιακή μορφή ύλης, με ξεχωριστά σωματίδια, με μάζες 10 έως 1000 φορές μεγαλύτερες του πρωτονίου, σταθερά στο χρονοδιάγραμμα του σύμπαντος και δεν διαθέτουν ηλεκτρικό φορτίο ή περιεχόμενο κουάρκ. Νωρίτερα προτεινόμενες εξηγήσεις περιλάμβαναν τροποποιήσεις των νόμων της αδράνειας ή της βαρύτητας, οι οποίες έδειχναν σαφώς μια πολύ διαφορετική κατεύθυνση σε σχέση με αυτό που θα έμοιαζε μια θεωρία των πάντων βασισμένη στη σωματιδιακή εξήγηση. Αυτές οι βαρυτικές και αδρανειακές εξηγήσεις έπεσαν σε δυσμένεια με την παρατήρηση του Σμήνους Bullet,  που προέκυψε από τη σύγκρουση δύο μεγάλων σμηνών γαλαξιών και οι ιδιότητες του οποίου ευνοούν την σωματιδιακή εξήγηση της σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, η πρόσφατη μη παρατήρηση της σκοτεινής ύλης από το πείραμα LUX δίνει μία παύση στη θεωρητική κοινότητα και ρίχνουν μια άλλη ματιά σε θεωρίες της τροποποιημένης βαρύτητας. Υπάρχουν και άλλες βιώσιμες εξηγήσεις του αινίγματος της σκοτεινής ύλης. Η μία αφορά στην ιδέα της υπερρευστότητας, γεγονός που υποδηλώνει ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα υπερρευστό σε κάποια μέρη του σύμπαντος και κανονικό υγρό σε άλλα. Μια δεύτερη ιδέα δέχεται ένα υπερ-ελαφρύ σωματίδιο που ονομάζεται axion και προτείνεται για να εξηγήσει τα μυστήρια της ισχυρής δύναμης. Μια τρίτη ενδιαφέρουσα ιδέα ονομάζεται σύνθετη σκοτεινή ύλη και προβλέπει ότι η σκοτεινή ύλη έχει εξίσου μεγάλη ποικιλία με τη συνηθισμένη ύλη και δέχεται την ύπαρξη ενός σκοτεινού φορτίου που συνδέει τη σκοτεινή ύλη σε σύνθετες δομές. Με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο η σκοτεινή ύλη δεν επηρεάζεται από το σύνηθες ηλεκτρικό φορτίο, η συνηθισμένη ύλη δεν επηρεάζεται από το σκοτεινό φορτίο. Με λίγα λόγια, πραγματικά δε γνωρίζουμε ποια θα είναι η τελική απάντηση για το ζήτημα της σκοτεινής ύλης.

Από την πλευρά της σκοτεινής ενέργειας τα πράγματα είναι ίσως λίγο πιο απλά. Το τρέχον και απλούστερο μοντέλο της σκοτεινής ενέργειας είναι η μορφή που προτείνεται από τον Einstein, που ονομάζεται κοσμολογική σταθερά. Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτή η μορφή ενέργειας είναι σταθερή, αλλά σταθερή στην πυκνότητα, όχι στη συνολική ενέργεια. Έτσι, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας αυξάνεται. Αυτή η μη-διαισθητική λειτουργία επιτρέπεται στη γενική σχετικότητα. Η θεμελιώδης φύση της σκοτεινής ενέργειας φαίνεται να είναι ότι πρόκειται για μια ιδιότητα του ίδιου του χώρου, αν και θα μπορούσε να έχει διαφορετική προέλευση. Ενώ η κοσμολογική σταθερά είναι μια δημοφιλής ιδέα, υπάρχει επίσης μια προτεινόμενη εναλλακτική θεωρία. Αυτή η άλλη πιθανή εξήγηση για την σκοτεινή ενέργεια δέχεται ένα ενεργειακό πεδίο που ονομάζεται αιθέρας, το οποίο έχει παρόμοιες ιδιότητες με την κοσμολογική σταθερά, αλλά αργά μεταβαλλόμενο στο χρόνο. Το ερώτημα εάν η σκοτεινή ενέργεια μεταβάλλεται ή παραμένει σταθερή έχει βαθιές συνέπειες στις προβλέψεις μας για το παρελθόν, την ιστορία και το μέλλον της συμπεριφοράς ολόκληρου του σύμπαντος. Θολώνοντας τα νερά μια πρόσφατη δημοσίευση ισχυρίζεται ότι η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος δεν είναι πραγματική.  Η δημοσίευση αυτή δεν έχει αγκαλιαστεί από την επιστημονική κοινότητα, αλλά υπογραμμίζει το εύρος της αβεβαιότητας των πιθανών εξηγήσεων.

Εν ολίγοις, οποιαδήποτε θεωρία των πάντων θα πρέπει να παρέχει απαντήσεις στα αινίγματα της σκοτεινού τομέα και θα ήταν ένα πολύ φιλόδοξο επίτευγμα να οικοδομήσουμε μια τέτοια θεωρία.

Μυστήρια του Καθιερωμένου Μοντέλου

Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι μια πολύ επιτυχημένη θεωρία, αλλά δεν είναι πλήρης. Ενώ εξηγεί το φως, τη χημεία και τη ραδιενεργό ακτινοβολία, υπάρχουν πολλά ερωτήματα που δεν απαντά, όπως τα ζητήματα των προτύπων στα κουάρκ και τα λεπτόνια. Αλλά υπάρχουν και κάποια άλλα πολύ μεγάλα αναπάντητα ερωτήματα. Για παράδειγμα, στο Καθιερωμένο Μοντέλο, τα νετρίνα είναι άμαζα. Ωστόσο, με την παρατήρηση των ταλαντώσεων των νετρίνων το 1998, γνωρίζουμε ότι τα νετρίνα έχουν πράγματι μάζα. Ακόμη, με δεδομένη τη μικροσκοπική μάζα των νετρίνων (η οποία είναι πολύ μικρότερη από ένα ηλεκτρονιοβόλτ (eV) ισοδύναμο της ενέργειας, σε σύγκριση με τη μάζα των 511 keV του ηλεκτρονίου και των 172 GeV μάζα του top κουάρκ), οι επιστήμονες φαντάζονται ότι ίσως προκύπτει η μάζα των νετρίνων όχι από την αλληλεπίδραση με το πεδίο Higgs, όπως και τα άλλα σωματίδια, αλλά από κάποιο εντελώς άλλο είδος μηχανισμού. Σαφώς, η κατανόηση αυτού του απλού ερωτήματος (η προέλευση της μάζας των νετρίνων) είναι ένα κρίσιμο ζήτημα καθώς προσπαθούμε να αναπτύξουμε μια θεωρία των πάντων.

Ένα άλλο μεγάλο μυστήριο που δεν εξηγείται από το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι η παρατηρούμενη ασυμμετρία στην ύλη και αντιύλη. Η αντιύλη είναι μια συμπληρωματική ουσία στην συνηθισμένη ύλη. Αν συνδυάστε τα δύο, απελευθερώνεται ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. Αντίστροφα, μπορείτε να μετατρέψετε την ενέργεια σε ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Και η λέξη “ίσες” είναι ζωτικής σημασίας. Από την ανακάλυψη της αντιύλης στο 1931, έχουμε μάθει πολλά γι ‘αυτή και μπορούμε να τη διαχεισριστούμε κατά βούληση. Και κάθε φορά που δημιουργούμε ύλη και αντιύλη από ενέργεια, οι ποσότητες είναι ακριβώς ίδιες.

Αυτό θέτει ένα πρόβλημα, όταν συνδυάζουμε αυτή την παρατήρηση με την κατανόησή μας για το πώς ξεκίνησε το σύμπαν. Χρησιμοποιώντας έναν τεράστιο αριθμό ανεξάρτητων γραμμών αποδεικτικών στοιχείων, πιστεύουμε ότι το σύμπαν ξεκίνησε πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια με μια διαδικασία που ονομάζεται Big Bang. Το σύμπαν μας ήταν κάποτε πολύ μικρότερο, πυκνότεροο, πιο ζεστό και κυριαρχόταν από ενέργεια. Καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε, μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας μετατράπηκε σε ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Ωστόσο, παντού βλέπουμε στο σύμπαν, με τα πιο ισχυρά εργαλεία που διαθέτουμε, μόνο ύλη. Και αυτό, όπως λένε, είναι ένα πρόβλημα. Πού πήγε η αντιύλη; Γνωρίζουμε από την εξέταση της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB) και κάνοντας μια απογραφή της ύλης του σύμπαντος, ότι ο αριθμός των σωματιδίων ενέργειας ξεπερνά αυτόν της ύλης κατά ένα συντελεστή περίπου 10 δισεκατομμύρια προς ένα. Από αυτό, οι επιστήμονες έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι μια πολύ μικρή ασυμμετρία στην ύλη και αντιύλη του πρώιμου σύμπαντος μπορεί να εξηγήσει τις παρατηρήσεις. Αυτή η ασυμμετρία ζευγαρώνει 10.000.000.000 σωματίδια αντιύλης με 10.000.000.001 σωματίδια της ύλης. Το 10 δις εκμηδενίστηκαν, σχηματίζοντας τη CMB και αφήνοντας το το μοναχικό σωματίδιο ύλης να σχηματίσει το σύμπαν. Εννοείται ότι εδώ μιλάω με αναλογίες.

Η προέλευση αυτής της ασυμμετρίας δεν είναι κατανοητή, αν και υπάρχουν ενδείξεις ότι η ασθενής δύναμη μπορεί να διαδραματίσει έναν ρόλο. Το 1964, οι επιστήμονες παρατήρησαν μια μικρή ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης στη διάσπαση του ουδέτερου μεσόνιου Κ, τα οποία περιέχουν strange κουάρκ. Μια επιβεβαιωμένη (και μεγαλύτερη) ασυμμετρία παρατηρήθηκε το 2001 στις διασπάσεις των ουδέτερων μεσονίων Β, τα οποία περιέχουν down κουάρκ. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με την ικανότητα της ασθενούς δύναμης να αλλάζει την ταυτότητα ενός σωματιδίου. Κατόπιν αυτού, οι επιστήμονες του LHC εξέτασαν σχολαστικά τεράστιο αριθμό γεγονότων στα οποία δημιουργήθηκαν down κουάρκ, ψάχνοντας για ενδείξεις. Επιπλέον, οι φυσικοί στο Fermilab έχουν κατασκευάσει ισχυρές δέσμες νετρίνων και αντινετρίνων, ελπίζοντας να συγκρίνουν τα δύο σωματίδια για να δούν αν δρουν με διαφορετικό τρόπο. Αν ναι, αυτό θα μπορούσε να είναι η οριστική απόδειξη που οδηγεί στην εξήγηση της ασυμμετρίας ύλης / αντιύλης.

Υπάρχει και ένα άλλο τεράστιο μυστήριο στην σύγχρονη φυσική, που είναι λίγο λεπτό. Αυτό το ζήτημα περιστρέφεται γύρω από το μποζόνιο Higgs. Η μάζα του μποζονίου Higgs καθορίζεται εν μέρει από την αλληλεπίδραση του μποζονίου Higgs με το πεδίο Higgs, αλλά υπάρχει μια επιπλοκή. Λόγω κβαντικών διακυμάνσεων, ένα μποζόνιο Higgs μπορεί να μετατραπεί προσωρινά σε ζεύγη φερμιονίων (top κουάρκ και κουάρκ αντιύλης) και μποζονίων (W μποζόνια, μποζόνια Z, ακόμη και ζεύγη μποζονίων Higgs). Επειδή τα σωματίδια παίρνουν τη μάζα τους μέσω σύζευξης με το πεδίο Higgs, το μποζόνιο Higgs παίζει το ρόλο του και διακυμαίνεται κατά προτίμηση σε βαρύτερα σωματίδια. Η συνέπεια αυτών των κβαντικών διακυμάνσεων είναι ότι αλλάζει το πώς κάποιος υπολογίζει τη μάζα του μποζονίου Higgs από τις βασικές αρχές. Αυτές οι διακυμάνσεις προσθέτουν έναν όρο που είναι ανάλογoς με την μέγιστη ενέργεια για την οποία το καθιερωμένο μοντέλο ισχύει επί τις διαφορές στην μάζα των φερμιονίων και μποζονίων. Επειδή όμως η μέγιστη ενέργεια για την οποία ισχύει το Καθιερωμένο Μοντέλο, είναι η ενέργεια Planck ή περίπου ένα τετράκις εκατομμύρια φορές υψηλότερο από ό, τι μπορούμε να πετύχουμε με τον LHC, αυτό σημαίνει ότι η μάζα των φερμιονίων και μποζονίων πρέπει να συντονιστούν τέλεια έτσι ώστε να εξουδετερώσουν αυτή τη μεγάλη ενέργεια. Και δεν ξέρουμε γιατί πρέπει να γίνει κάτι τέτοιο. Μας δίνει ωστόσο, μια άλλη ιδέα για μια θεωρία των πάντων.

Ενώ δεν ξέρουμε την απάντηση, μία δημοφιλής πρόταση ονομάζεται υπερσυμμετρία, η οποία θέτει ως αίτημα μια συμμετρία μεταξύ των φερμιονίων και μποζονίων του Καθιερωμένου Μοντέλου. Κάθε γνωστό φερμιόνιο θα έχει μποζόνιο σύντροφο και το αντίστροφο. Και το μποζόνιο Higgs θα μπορούσε επίσης να κυμανθεί στα υπερσυμμετρικά ξαδέλφια. Δεδομένου ότι η συμβολή του μποζονίου Higgs στη μάζα  σχετίζεται με τη διαφορά της μάζας των φερμιονίων και μποζονίων,τότε έχοντας ένα υπερσυμμετρικό ξάδελφο θα ακύρωνε με φυσικό τρόπο την επίδραση καθενός από τα σωματίδια της συνηθισμένης ύλης. Ένα ειδικό όφελος από την ιδέα της υπερσυμμετρίας είναι ότι μπορεί να προσφέρει ένα υποψήφιο σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Έχοντας υπόψη ότι μια θεωρία των πάντων πρέπει να απαντήσει σε όλες τις ερωτήσεις, το γεγονός ότι μια θεωρία που προτείνεται για να λύσει ένα μυστήριο λύνει ένα άλλο μυστήριο, είναι ένα ελκυστικό χαρακτηριστικό και εξηγεί, εν μέρει, γιατί η θεωρητική κοινότητα είναι τόσο τσιμπημένη από την ιδέα.

Τα εμπόδια μπροστά μας

Μια θεωρία των πάντων είναι ένα φιλόδοξο, πράγματι αλαζονικό, εγχείρημα. Η ιδέα ότι η ανθρωπότητα μπορεί να θεμελιώσει μία ενιαία και κομψή θεωρία που περιέχει ένα ή μερικά σωματίδια, διέπεται από μια ενιαία δύναμη με μια εξίσωση τόσο απλή που μπορεί να γραφτεί σε ένα t-shirt, είναι πραγματικά ένας ελπιδοφόρος και αισιόδοξος στόχος. Ποιες ιδέες είναι εκεί έξω;

Λοιπόν, έχω αναφέρει τις υπερχορδές. Αυτή η θεωρία ήταν δημοφιλής, αλλά στάθηκε αδύναμη να κάνει ελέγξιμη πρόβλεψη. Σε θεωρητικό επίπεδο, δεν είναι μόνο είναι οι λύσεις της θεωρίας των υπερχορδών προσεγγιστικές, οι ίδιοι οι εξισώσεις είναι επίσης προσεγγιστικές. Έτσι, έχουμε τρόπους να προχωρήσουμε πριν μπορέσουμε να ελπίζουμε για κάποια επιτυχία εκεί.

Μια άλλη ιδέα που ονομάζεται βρόχοι κβαντικής βαρύτητας (LQG), δεν φιλοδοξεί να είναι μια θεωρία των πάντων, αλλά ελπίζει να φέρει τη βαρύτητα στην κβαντική σφαίρα. Η LQG θα εξηγήσει επιτέλους τι πραγματικά συμβαίνει στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας και τη στιγμή που ξεκίνησε το σύμπαν, διαλύοντας την μη φυσική μοναδικότητα και αντικαθιστώντας την με μια πιο εξελιγμένη και ακριβή κβαντική κατεργασία. Μια συνέπεια της LQG είναι ότι προβλέπει στην πιο μικρή κλίμακα που υπάρχει [δηλαδή μήκος Planck (10^-35 m) και χρόνος Planck (10^-48s)], τόσο χώρος όσο και ο χρόνος γίνονται κβαντισμένοι, οδηγώντας σε ένα μικρότερο μήκος και μια μικρότερη χρονική διάρκεια. Η θεωρία των πάντων  δε θα είναι πλήρης αν δεν κατανοήσουμε πόσο αληθής είναι αυτή η υπόθεση.

Και υπάρχουν και άλλες προτάσεις εκεί έξω που οι περιορισμοί χώρου δεν μου επιτρέπουν να περιγράψω εδώ, όπως και η ιδέα ότι ίσως το σύμπαν αποτελείται από περισσότερες διαστάσεις από τις τρεις που γνωρίζουμε ή την πιθανότητα ότι το σύμπαν μας θα μπορούσε να είναι ένα από τα πολλά σε ένα πολύ μεγαλύτερο και πιο μεγαλειώδες πολλαπλό σύμπαν.

Η αναζήτηση για μια θεωρία των πάντων είναι ένα μεγάλο όνειρο, ένα από τα μεγαλύτερα σε όλη την επιστήμη, αλλά είναι απίθανο να επιλυθεί στη διάρκεια της ζωής μας. Για να δώσουμε μια αίσθηση της ιστορικής προοπτικής, οι πρώτες ιδέες του Νεύτωνα για την ενοποίηση της ουράνιας και επίγειας βαρύτητας διατυπώθηκαν το 1665, ενώ η ενοποίηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού του Maxwell εμφανίστηκαν δύο αιώνες αργότερα. Και έχουμε κάνει τεράστια άλματα στην κατανόηση του σύμπαντος σε 350 χρόνια από τις πρώτες γραμμένες ιδέες του Νεύτωνα, αλλά το ταξίδι μπροστά μας είναι ακόμα ασύγκριτα μεγαλύτερο. Αν οι θρίαμβοι του Νεύτωνα και του Maxwell μπορούν να παρουσιαστούν ως κορυφαία πνευματικά επιτεύγματα, ακολουθούμενα από τα ακόμη υψηλότερα επιτεύγματα της Γενικής Σχετικότητας και του Καθιερωμένου Μοντέλου, τις τελικές, μακρινές κορυφές της κβαντικής βαρύτητας, της μεγάλης ενοποιημένης θεωρίας και ακόμη της θεωρίας των πάντων, μπορεί να τις φανταστεί κανείς ως την κορυφή της οροσειράς της γνώσης.

Νομίζω ότι το βασικό μήνυμα είναι ότι αυτό το πνευματικό ταξίδι δεν θα είναι μικρό. Για να μάθουμε τις σκέψεις του Θεού απαιτείται ένα ταξίδι αιώνων. Όλοι όσοι διαβάζετε αυτό το άρθρο είναι απίθανο να δείτε το τελικό προϊόν. Γι ‘αυτό και ως εκπαιδευτικοί έχουμε την ευθύνη να περάσουμε το πάθος μας στους μαθητές μας, γιατί είναι οι πνευματικοί μας απογόνοι, οι οποίοι θα μεταφέρουν τη δάδα της περιέργειας όταν εμείς θα έχουμε φύγει. Από γενιά σε γενιά, βήμα προς βήμα, η ανθρωπότητα θα συνεχίσει το πιο μεγαλεπήβολο επιστημονικό ταξίδι που επιχειρήθηκε ποτέ.

 

Γιάννης Γαϊσίδης

gaisidis@viewonphysics.gr

Κράτα το

Κράτα το