Η σταθερά «λ»!

Η γεφύρωση κβαντικής μηχανικής και γενικής σχετικότητας.

Η Ιστορία

Υπάρχει ένα θεμελιώδες πρόβλημα στη φυσική. Η κοσμολογική σταθερά λ μαστίζει τους φυσικούς για περισσότερο από έναν αιώνα.  Η κοσμολογική σταθερά γεφυρώνει τον μικροσκοπικό κόσμο της κβαντικής μηχανικής και τον μακροσκοπικό κόσμο της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά ούτε η θεωρία μπορεί να συμφωνήσει στην τιμή της.  Στην πραγματικότητα, υπάρχει μια τεράστια διαφορά μεταξύ της παρατηρούμενης τιμής αυτής της σταθεράς και της θεωρίας, που θεωρείται ευρέως σαν την χειρότερη πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής. Η επίλυση της διαφοράς μπορεί να είναι ο σημαντικότερος στόχος της θεωρητικής φυσικής αυτού του αιώνα.

Ο Lucas Lombriser, επίκουρος καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, εισήγαγε έναν νέο τρόπο αξιολόγησης των εξισώσεων βαρύτητας του Albert Einstein για να βρει μια τιμή της κοσμολογικής σταθεράς «λ» που να ταιριάζει  με την παρατηρούμενη τιμή της.  Και τον δημοσίευσε στο περιοδικό Physics Letters Β.  (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269319305088#br0020 ). 

Πώς η μεγαλύτερη σφάλμα του Αϊνστάιν έγινε σκοτεινή ενέργεια
 
Η ιστορία της κοσμολογικής σταθεράς ξεκίνησε πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε ένα σύνολο εξισώσεων, τώρα γνωστών ως εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, που έγιναν το πλαίσιο της θεωρίας του γενικής σχετικότητας . Οι εξισώσεις εξηγούν πώς η ύλη και η ενέργεια λυγίζουν τον ιστό του χώρου και του χρόνου για να δημιουργήσουν τη δύναμη της βαρύτητας. Τότε, τόσο ο Αϊνστάιν όσο και οι αστρονόμοι συμφώνησαν ότι το σύμπαν ήταν σταθερό σε μέγεθος και ότι ο συνολικός χώρος μεταξύ των γαλαξιών δεν άλλαξε. Ωστόσο, όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε τη γενική σχετικότητα στο σύμπαν στο σύνολό του, η θεωρία του προέβλεπε ένα ασταθές σύμπαν που είτε θα έπρεπε να διαστέλλεται είτε θα συρρικνώνεται. Για να αναγκάσει το σύμπαν να είναι στατικό, ο Αϊνστάιν πρόσθεσε την κοσμολογική σταθερά.

Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, ένας άλλος φυσικός, ο Edwin Hubble , ανακάλυψε ότι το σύμπαν μας δεν είναι στατικό αλλά επεκτείνεται. Το φως που έρχεται από τους μακρινούς γαλαξίες έδειξε ότι όλοι απομακρυνόταν , ο ένας από το άλλο. Αυτή η αποκάλυψη έπεισε τον Αϊνστάιν να εγκαταλείψει την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του πεδίου, καθώς δεν ήταν πλέον απαραίτητο να εξηγεί κανείς ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Μάλιστα ο Αϊνστάιν αργότερα ομολόγησε ότι η εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς ήταν ίσως το μεγαλύτερη του σφάλμα .

Το 1998, οι παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβα έδειξαν ότι το σύμπαν δεν επεκτάθηκε μόνο, αλλά επεκτείνεται επιταχυνόμενο. Οι γαλαξίες επιταχύνθηκαν μακριά ο ένας από τον άλλο ως κάποια άγνωστη δύναμη να ξεπερνά τη βαρύτητα και να τους αναγκάζει να απομακρύνονται. Οι φυσικοί έχουν ονομάσει αυτό το αινιγματικό φαινόμενο σκοτεινή ενέργεια , καθώς η πραγματική της φύση παραμένει ένα μυστήριο.
 
Σαν ειρωνεία, οι φυσικοί ξανά εισήγαγαν την κοσμολογική σταθερά στις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν για να εξηγήσουν την σκοτεινή ενέργεια. Στο τρέχον πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας , γνωστό ως ΛCDM (Lambda CDM), η κοσμολογική σταθερά είναι εναλλάξιμη με τη σκοτεινή ενέργεια. Οι αστρονόμοι εκτιμούσαν ακόμη και την τιμή της με βάση τις παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβα και τις διακυμάνσεις στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο . Αν και η τιμή είναι παράλογα μικρή (της τάξης των 10 ^ -52 ανά τετραγωνικό μέτρο), σε όλη την κλίμακα του σύμπαντος, είναι αρκετά σημαντική για να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή του χώρου.

Η κοσμολογική σταθερά (η σκοτεινή ενέργεια) αποτελεί επί του παρόντος περίπου το 70% του ενεργειακού περιεχομένου στο σύμπαν μας, το οποίο μπορούμε να συμπεράνουμε από την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή που υφίσταται σήμερα το σύμπαν μας. λέει ο Lombriser. Οι προσπάθειες να εξηγηθεί αυτή η τιμή έχουν αποτύχει και φαίνεται ότι υπάρχει κάτι θεμελιώδες που λείπει από το πώς καταλαβαίνουμε τι ακριβώς συμβαίνει στο σύμπαν που ζούμε.

Η σωστή τοποθέτηση των κομματιών αυτού του πάζλ είναι ένας από τους σημαντικότερους ερευνητικούς τομείς της σύγχρονης φυσικής. Είναι γενικά αναμενόμενο ότι η επίλυση του θέματος μπορεί να οδηγήσει μας σε μια πιο θεμελιώδη κατανόηση της φυσικής.
  
Η χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής.
 
Η κοσμολογική σταθερά θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «ενέργεια κενού». Η θεωρία του κβαντικού πεδίου δηλώνει ότι ακόμη και σε ένα εντελώς άδειο κενό χώρο, τα εικονικά σωματίδια γεννιούνται και πεθαίνουν και δημιουργούν ενέργεια – μια φαινομενικά παράλογη ιδέα, η οποία όμως έχει παρατηρηθεί πειραματικά. Το πρόβλημα προκύπτει όταν οι φυσικοί επιχειρούν να υπολογίσουν τη συμβολή τους στην κοσμολογική σταθερά «λ». Το αποτέλεσμά τους διαφέρει από τις παρατηρήσεις κατά ένα  παράγοντα 10 ^ 121 (το 10 ακολουθούμενο από 120 μηδενικά), τη μεγαλύτερη απόκλιση μεταξύ θεωρίας και πειράματος σε ολόκληρη τη φυσική, μέχρι σήμερα

Μια τέτοια τεράστια διαφορά έχει προκαλέσει ορισμένους φυσικούς να αμφισβητήσουν τις αρχικές εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν. Ορισμένοι έχουν προτείνει ακόμη εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας. Ωστόσο η μελέτη, περαιτέρω στοιχεία των βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων ( LIGO ) έχουν ισχυροποιήσει τη γενική σχετικότητα και απορρίπτουν πολλές από αυτές τις εναλλακτικές θεωρίες. Για το λόγο αυτό, αντί να επανεξετάσει τη βαρύτητα, ο Lombriser υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση για να λύσει αυτό το κοσμικό πάζλ.

“Ο μηχανισμός που προτείνω δεν τροποποιεί τις εξισώσεις πεδίου του Einstein”, δήλωσε ο Lombriser. Αντ ί αυτού, “προσθέτει μια επιπλέον εξίσωση στην κορυφή των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν”.
Η σταθερά βαρύτητας «G» , η οποία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στους νόμους της βαρύτητας του Isaac Newton και τώρα είναι ένα ουσιαστικό μέρος των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν, περιγράφει το μέγεθος της βαρυτικής δύναμης μεταξύ των αντικειμένων. Θεωρείται μία από τις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής, αιώνια αμετάβλητες από την αρχή του σύμπαντος. Ο Lombriser έχει κάνει τη δραματική υπόθεση ότι αυτή η σταθερά μπορεί να αλλάξει. 

Στην τροποποίηση της γενικής σχετικότητας του Lombriser, η σταθερά βαρύτητας παραμένει η ίδια στο παρατηρούμενο σύμπαν μας, αλλά μπορεί να διαφέρει πέρα ​​από αυτό το παρατηρούμενο σύμπαν. Προτείνει δε ένα σενάρια πολλαπλών παραγόντων όπου μπορεί να υπάρχουν αδιαφανή κομμάτια του σύμπαντος για εμάς, και που να έχουν διαφορετικές τιμές για τις θεμελιώδεις σταθερές. 
Αυτή η διακύμανση της βαρύτητας έδωσε στον Lombriser μια επιπλέον εξίσωση που συνδέει την κοσμολογική σταθερά «λ» με το μέσο άθροισμα της ύλης κατά τη διάρκεια του χωροχρόνου. Αφού αντιπροσώπευε την εκτιμώμενη μάζα όλων των γαλαξιών, των αστεριών και της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, θα μπορούσε να λύσει κάποιος αυτή τη νέα εξίσωση για να αποκτήσει μια νέα τιμή για την κοσμολογική σταθερά – αυτή που συμφωνεί στενά με τις παρατηρήσεις. 

Χρησιμοποιώντας μια νέα παράμετρο, «ΩΛ» (ωμέγα λάμδα), που εκφράζει το κλάσμα του σύμπαντος φτιαγμένο από σκοτεινή ύλη, βρήκε ότι το σύμπαν αποτελείται από περίπου 74% σκοτεινή ενέργεια. Αυτός ο αριθμός προσεγγίζει την τιμή του 68,5% που υπολογίζεται από τις παρατηρήσεις, μια τεράστια βελτίωση σε σχέση με την τεράστια ανισότητα που διαπιστώνεται από τη θεωρία του κβαντικού πεδίου. 

Παρόλο που το πλαίσιο του Lombriser μπορεί να λύσει το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθερότητας, δεν υπάρχει τρόπος να το δοκιμάσουμε. Αλλά στο μέλλον, αν πειράματα από άλλες θεωρίες επικυρώσουν τις εξισώσεις του, θα μπορούσε να σημαίνει ένα σημαντικό άλμα στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και να προσφέρει  ένα εργαλείο για την επίλυση άλλων κοσμικών μυστηρίων. 

Που νομίζουμε ότι είμαστε.

Λιγότερο από το 5% της συνολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος αποτελεί την ύλη από την οποία έχουν φτιαχτεί οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και φυσικά εμείς οι άνθρωποι. Η λεγόμενη σκοτεινή (δηλαδή άγνωστη) ύλη αποτελεί περίπου το 85% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και το 26,8% της συνολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος. 

Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και ενέργειας του σύμπαντος (το 68,3%) είναι ακόμη πιο μυστηριώδες, καθώς αποτελεί τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, η οποία προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Με άλλα λόγια, στην πραγματικότητα δεν έχουμε ιδέα για το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, παρόλο που υποτίθεται ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια βρίσκονται ολόγυρά μας. 

Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι περιβάλλει με μια τεράστια άλω και συγκρατεί σαν «κόλλα» τους γαλαξίες, έτσι ώστε να περιστρέφονται γρήγορα χωρίς η ύλη τους να σκορπάει στο διάστημα. Γίνεται αντιληπτή έμμεσα μέσω των βαρυτικών επιδράσεων που ασκεί στην «κανονική ύλη». Φαίνεται να κρύβεται μπροστά στα μάτια μας, αλλά κανένα πείραμα έως τώρα δεν έχει καταφέρει να την παρατηρήσει και να «κατανοήσει» τη φύση της. 

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από σωματίδια. Ως πιθανότερη λύση έχουν προταθεί τα «ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα» (WIMPs), που όμως δεν έχουν βρεθεί ακόμη, παρά το πολύχρονο «κυνήγι» τους με υπόγειους ανιχνευτές μέσα σε παλαιά ορυχεία, με επίγειους επιταχυντές σωματιδίων και με διαστημικά τηλεσκόπια. 

Οι φυσικοί ελπίζουν ότι μια ωραία μέρα ξαφνικά, όπως συνέβη με το επί δεκαετίες μποζόνιο φάντασμα του Χιγκς, θα δουν στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων του CERN να εμφανίζονται τα σωματίδια WIMPs. Προς το παρόν, διαφωνούν για το πώς πιθανώς είναι ένα τέτοιο σωματίδιο (αν υπάρχει): μπορεί να είναι μεγάλο σαν άτομο υδρογόνου ή μικροσκοπικό ή να έχει πολλά διαφορετικά μεγέθη κ.ο.κ. 

Η μήπως

Όμως μερικοί πιο «αιρετικοί» επιστήμονες πιστεύουν ότι δεν υπάρχει καν σκοτεινή ύλη, αλλά αντίθετα υπάρχει κάτι σοβαρά λανθασμένο στην κατανόησή μας για τη βαρύτητα και τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης. Σε κάθε περίπτωση, η λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης -τόσο σε συμπαντική όσο και σε υποατομική κλίμακα, αποτελεί ένα από τα πιο πιεστικά, σήμερα, ζητήματα στα πεδία της σωματιδιακής φυσικής, της αστροφυσικής και της κοσμολογίας.

Υπέρ υπολογιστής προσομοιώνει την εξέλιξη του Σύμπαντος

 

Σε μια από τις μεγαλύτερες κοσμολογικές προσομοιώσεις που έχουν παρουσιαστεί ως σήμερα, υπέρ υπολογιστής του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας μοντελοποιεί την εξέλιξη του Σύμπαντος από τη βρεφική του ηλικία μέχρι σήμερα. Το αποτέλεσμα; Ένας ωκεανός δεδομένων που φτάνει τα 2,5 εκατομμύρια gigabyte.

Ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου του Αργκόν, το οποίο υπάγεται στο υπουργείο Ενέργειας, χρησιμοποίησαν για την προσομοίωση τον υπερυπολογιστή Titan.

Χρησιμοποιώντας λογισμικό που αναπτύχθηκε ειδικά για κοσμολογικές προσομοιώσεις, η ερευνητική ομάδα προσομοίωσε την πορεία του Σύμπαντος από τα 50 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι τη σημερινή εποχή.

Πρακτικά, το Σύμπαν χωρίστηκε σε μισό τρισεκατομμύριο κύβους με πλευρά 100.000 χιλιομέτρων ο καθένας, προσφέροντας εντυπωσιακά υψηλή ανάλυση.

Στη βρεφική του ηλικία, το Σύμπαν ήταν ένα γιγάντιο σύννεφο από ελεύθερα άτομα κανονικής ύλη αλλά και από «σκοτεινή ύλη» -ένα υλικό άγνωστης σύστασης που περιέργως αντιστοιχεί στο 84% της μάζας του Σύμπαντος.

Τα μοντέλα των κοσμολόγων δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη ήταν η πρώτη που άρχισε να συσσωματώνεται λόγω της έλξης της βαρύτητας. Σταδιακά συμπυκνώθηκε σε δίσκους, οι οποίοι τελικά τράβηξαν προς το μέρος τους και την κανονική ύλη. Μέχρι και σήμερα, δισεκατομμύρια χρόνια μετά, οι γαλαξίες πιστεύεται ότι περιβάλλονται από αυτά τα «φωτοστέφανα» σκοτεινής ύλης, μέσα στα οποία γεννήθηκαν.

«Η βαρύτητα επιδρά στη σκοτεινή ύλη, η οποία αρχίζει να συσσωματώνεται όλο και περισσότερο. Μέσα στους σβόλους που σχηματίζονται γεννιούνται γαλαξίες» λέει η Κάτριν Χέιτμαν, αστροφυσικός από τους συγγραφείς της δημοσίευσης.

«Είναι μια πολύ πλούσια προσομοίωση» προσθέτει. «Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα δεδομένα για να εξετάσουμε το γιατί οι γαλαξίες συμπυκνώνονται με αυτόν τον τρόπο, καθώς και τη θεμελιώδη φυσική του ίδιου του σχηματισμού κοσμικών δομών» εξηγεί.

Υπήρχε όμως και αρκετό υλικό στο νεαρό Σύμπαν που δεν έπεσε στην παγίδα της σκοτεινής ύλης. Το υλικό αυτό, τεράστιες ποσότητες αερίου, πιστεύεται ότι διατάχθηκε σε μορφή νημάτων τα οποία εκτείνονται ανάμεσα στους γαλαξίες.

Στο σημερινό, ενήλικο Σύμπαν, προβλέπει το κυρίαρχο μοντέλο της Κοσμολογίας, οι γαλαξίες βρίσκονται σήμερα διατεταγμένοι σαν χάντρες πάνω σε έναν «σκελετό» από νήματα που θυμίζει σφουγγάρι, τον λεγόμενο κοσμικό ιστό.

Εκτός του ότι αποκαλύπτει το ρόλο της κοσμικής ύλης στο σχηματισμό του κοσμικού ιστού, αναφέρουν οι ερευνητές σε ανακοίνωσή τους, η προσομοίωση βοηθά τους κοσμολόγους να κατανοήσουν την ακόμα πιο μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια, μια μυστηριώδη δύναμη που δρα αντίθετα από τη βαρύτητα και επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος.

Πηγή: http://iopscience.iop.org/0067-0049/