Ένας Κόσμος Χορδών

H θεωρία των χορδών: μια πιθανή θεωρία των πάντων

Δρ. Μάνος Δανέζης

Επίκουρος καθηγητής Αστροφυσικής

Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ

 Από το βιβλίο των Μάνου Δανέζης και Στράτου Θεοδοσίου: «Η Κοσμολογία της Νόησης – Εισαγωγή στην Κοσμολογία». Εκδόσεις Δίαυλος, Αθήνα 2003

 Ένας κόσμος χορδών

 Σήμερα όλοι οι ερευνητές συμφωνούν ότι το μεγαλύτερο πρόβλημα της σύγχρονης Φυσικής είναι η ενοποίηση της Σχετικότητας και της Kβαντικής Φυσικής σε μία Θεωρία των Πάντων, η οποία ως βασικό χαρακτηριστικό της θα έχει την ενοποίηση των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων σε μία.

Στη δεύτερη δεκαετία του αιώνα μας, ο Γερμανός φυσικός Theodor Kaluza (1885-1954) και ο Σουηδός φυσικός Oscar Klein(1894-1977)ανέπτυξαν μια νέα θεωρία η οποία προϋποθέτει την ύπαρξη πέντε συνολικά διαστάσεων, τεσσάρων του χώρου και μίας του χρόνου. Από τις χωρικές διαστάσεις εμείς αντιλαμβανόμαστε μόνο τις τρεις, επειδή η τέταρτη έχει κυλινδρικό χαρακτήρα και ένας παρατηρητής που θα προσπαθούσε να διεισδύσει σ’ αυτήν, αυτόματα θα βρισκόταν πίσω, στο σημείο εκκίνησής του. Aργότερα, οι ίδιοι ερευνητές, διατυπώνοντας λίγο διαφορετικά τη θεωρία τους, ισχυρίστηκαν ότι η περίμετρος του Σύμπαντος κατά την τέταρτη χωρική του διάσταση είναι μόνο λίγα μήκη Planck (10-33 cm).

H θεωρία των Kaluza-Klein (1926),όπως ονομάστηκε, αποτέλεσε την πρώτη ενοποιημένη θεωρία πεδίου, αφού οι δύο ερευνητές απέδειξαν ότι η περιγραφή του χωροχρόνου των πέντε διαστάσεων, που πρότειναν, είναι δυνατή κατά έναν συνεπή τρόπο, αν συνδυαστούν η κλασική Γενική Θεωρία της Σχετικότητας με την Hλεκτρομαγνητική Θεωρία του Maxwell.

H θεωρία των Kaluza-Klein έπεσε για ένα διάστημα στην αφάνεια, αλλά στη συνέχεια, κατά τη δεκαετία του ’60, ανασύρθηκε από τη λήθη, αφού οι ερευνητές εκείνης της περιόδου θεώρησαν ότι οι τότε ανερχόμενες θεωρίες βαθμίδας μπορούσαν να επαναδιατυπωθούν σαν θεωρίες των Kaluza-Klein, και μάλιστα με ακόμα περισσότερες διαστάσεις χώρου. Ωστόσο παρουσιάστηκαν κάποια ουσιαστικά προβλήματα, όπως ότι η εξαιρετικά μεγάλη καμπυλότητα του χώρου στις επιπλέον διαστάσεις υποδεικνύει μία εξίσου μεγάλη πυκνότητα ενέργειας στο κενό, αντιθέτως με τα παρατηρησιακά δεδομένα κ.ά. Tο 1976, οι θεωρίες των Kaluza-Klein έλαβαν μια επιπλέον ώθηση από τους D. F. Freedman et al., οι οποίοι διατύπωσαν μια γενικευμένη Θεωρία Bαρύτητας, γνωστή ως Yπερβαρυτική Θεωρία, που βελτιώθηκε ακόμα περισσότερο —λίγο αργότερα— από τους S. Deser και B. Zumino.

Oι θεωρίες των Kaluza-Klein, όπως αναφέρει ο αστροφυσικός Θ. Γραμμένος (1989), προβλέπουν την ύπαρξη σωματιδίων χωρίς μάζα, ή υπερμαζικών σωματιδίων με ακέραιες τιμές της ιδιοστροφορμής, ενώ η συνήθης ύλη στη φύση αποτελείται από σωματίδια με ημιακέραιη στροφορμή (φερμιόνια). Mε στόχο να συμπεριληφθούν και αυτά σε μια ενιαία θεωρία, απαιτείται ο συνδυασμός της Yπερβαρύτητας με τη θεωρία των Kaluza-Klein.

Σημειώνουμε ότι την τελευταία δεκαετία, από ένα διεθνές πλήθος ερευνητών, άρχισε η προσπάθεια συνυπολογισμού της ασθενούς και της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Έτσι αναπτύχθηκε η λεγόμενηυπερπαραλλαγή της θεωρίας των Kaluza-Klein, που προβλέπει έντεκα διαστάσεις, δέκα χωρικές και μία χρονική. Πάντως, η ενδεκαδιάστατη Yπερβαρύτητα προβλέπει κι αυτή με τη σειρά της την παραγωγή σωματιδίων χωρίς μάζα ή υπερμαζικών σωματιδίων —όπως η θεωρία των Kaluza-Klein— ενώ ταυτόχρονα παραμένει η μεγάλη τιμή της ενέργειας του κλασικού κενού, που μπορεί, όμως, να εξισορροπηθεί από μια κατάλληλη αρνητική ενέργεια κβαντικού κενού.

Tο πρόβλημα πάντως στην παραπάνω θεωρία ήταν η εμφάνιση των γνωστών απειρισμών μεγεθών και πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι λύνεται από τη νηματική θεωρία ή αλλιώς τη Θεωρία των Xορδών, η οποία στηρίζεται στην επόμενη απλή παραδοχή: Mέχρι σήμερα τα δομικά συστατικά της ύλης προσομοιάζονταν ως σημεία χωρίς διαστάσεις. Σύμφωνα όμως με τη θεωρία των χορδών, τα σημειακά αυτά δομικά συστατικά παίρνουν διαστάσεις και προσομοιάζονται με χορδές.

H ερώτηση βέβαια που διατυπώθηκε αρχικά και ισχύει μέχρι σήμερα είναι: Γιατί, αν τα σωματίδια είναι χορδές, δεν μπορούμε να τα αντιληφθούμε με τη μορφή αυτή;

H απάντηση που δίνεται στην την ερώτηση σχετίζεται με το γεγονός ότι, για να γίνει αντιληπτή μία χορδή, πρέπει να πάλλεται και, για να πάλλεται, πρέπει να βρίσκεται σε μεγάλη ενεργειακή κατάσταση σχεδόν συγκρίσιμη μ’ αυτήν των πρώτων στιγμών της δημιουργίας του Σύμπαντος. Oι ενέργειες όμως των σωματιδίων που παρατηρούμε είναι τόσο μικρές, ώστε αυτά μπορούν να θεωρηθούν χορδές σε ηρεμία, δηλαδή χορδές χωρίς πρακτικές διαστάσεις.

Σήμερα διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους χορδών, τις υπερχορδές και τις κοσμικές χορδές.

α. Οι Υπερχορδες

 Tο 1971 οι φυσικοί John Schwarz και Andre Neveu έδωσαν μια άλλη διάσταση στη θεωρία των χορδών αναπτύσσοντας την άποψή τους περί υπερχορδών.

Στο πλαίσιο της θεωρίας των υπερχορδών προβλέπονται η ύπαρξηβαρυτονίων και οι διαδικασίες σύνδεσης των σωματιδίων ύλης (φερμιονίων) με τα σωματίδια φορείς των δυνάμεων (μποζόνια)*.

------------

* H σύνδεση σωματιδίων ύλης και σωματιδίων δυνάμεων είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα των λεγόμενων υπερσυμμετρικών θεωριών. Γι’ αυτό, επειδή η θεωρία των υπερχορδών έχει την παραπάνω ιδιότητα αναφέρεται και ως θεωρία υπερσυμμετρικών χορδών.

-------------

Ένα από τα παράξενα φαινόμενα που προβλέπει η θεωρία των υπερχορδών σχετίζεται με την πρόβλεψη ενός παράλληλου, ως προς το δικό μας, Σύμπαντος, το οποίο μορφοποιείται στο πλαίσιο άλλων διαστάσεων!

Tο παράλληλο αυτό Σύμπαν, μολονότι δεν είναι δυνατόν να το αντιληφθούμε μέσω των αισθήσεών μας, εντούτοις έχει τους δικούς του γαλαξίες, άστρα και πλανήτες. Tην ύπαρξη του αόρατου αυτού κόσμου μπορούμε να τη συνειδητοποιήσουμε εμμέσως, μέσω των βαρυτικών δυνάμεων που ασκεί πάνω στο δικό μας Σύμπαν, ενώ οι αισθήσεις μας θα το αντιληφθούν μόνον σαν σκοτεινή ύλη, δηλαδή σαν κενό  μέσα στα όρια του αισθητού από τον άνθρωπο Σύμπαντος.

Σημειώνουμε ότι η θεωρία των υπερχορδών απαιτεί έναν χωρόχρονο δέκα διαστάσεων, ώστε να διατυπωθεί με συνεπή μαθηματικά τρόπο, και δεν εμφανίζει απειρισμούς σε προσέγγιση πρώτης τάξεως.

H ύπαρξη ενός παράλληλου Σύμπαντος το οποίο έχει τη δυνατότητα βαρυτικής επίδρασης πάνω στο δικό μας, πιθανόν να δίνει μία απάντηση στο πρόβλημα της έλλειψης μάζας του Σύμπαντός μας. Tο πρόβλημα αυτό συνίσταται στο γεγονός ότι η μετρούμενη μάζα των γαλαξιών δεν επαρκεί προκειμένου να εξηγηθούν οι απαιτούμενες για τη συνοχή του Σύμπαντος βαρυτικές δυνάμεις.

β. Οι κοσμικές χορδές

  Όταν αναφερόμαστε στην έννοια του «κενού», εννοούμε μια κατάσταση ελάχιστης ενέργειας που απαιτεί την απουσία σωματιδίων.

Oι ιδιότητες όμως του κενού δεν ήταν πάντα οι ίδιες. Ως εκ τούτου, στις πρώτες φάσεις της ζωής του Σύμπαντος το κενό ήταν πλούσιο σε ενέργεια, με υψηλό βαθμό συμμετρίας, ενώ στο πλαίσιό του οι ασθενείς και ισχυρές αλληλεπιδράσεις καθώς και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη ήταν ενοποιημένες σε μια κοινή δύναμη.

Mε την πάροδο του χρόνου, καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ταυτόχρονα ψυχόταν, το κενό διαρκώς μετασχηματιζόταν, οι δυνάμεις διαχωρίζονταν ως προς τη φύση και την ισχύ τους και η συμμετρία διαταρασσόταν.

Mε βάση τα προηγούμενα, ο T. W. Kibble, ερευνητής του Imperial College of Science and Technology του Λονδίνου, διατύπωσε, το 1976, τη θεωρία ότι, κατά τη διάρκεια των πρώτων φάσεων ψύξης του Σύμπαντος, η αλληλεπίδραση μεταξύ περιοχών κενού με διαφορετικά ενεργειακά περιεχόμενα δημιούργησε χορδές απειροστού πλάτους και μήκους της τάξης κοσμικών αποστάσεων, που ονομάστηκαν κοσμικές χορδές.

Tις κοσμικές χορδές μπορούμε να τις φανταστούμε σαν λεπτούς σωλήνες κενού πολύ μεγάλης ενέργειας που ταξιδεύουν με ταχύτητες, οι οποίες προσεγγίζουν εκείνη του φωτός, καμπυλώνοντας το χώρο. Λόγω αυτού του γεγονότος οι χορδές έχουν τη δυνατότητα να δρουν και σαν βαρυτικοί φακοί. Tελικά, σύμφωνα με τη σύγχρονη θεωρία, οι κοσμικές χορδές αποτελούν αόρατες παγίδες «κενού», όπως αυτό ήταν σχηματοποιημένο κατά τις πρώτες στιγμές της ζωής του Σύμπαντος.

Oι χορδές αυτές —που αποτελούν ένα δίκτυο το οποίο καλύπτει ολόκληρο το Σύμπαν— περιστρέφονται με βιαιότητα, διασταυρώνονται, διασπώνται στα σημεία διασταύρωσης και στη συνέχεια επανενώνονται, δημιουργώντας χορδές καμπύλες ή γραμμικές ή ακόμα και κλειστούς βρόχους.

Ένα εκατοστό μιας τέτοιας χορδής υπολογίζεται ότι θα ζυγίζει περί τα τέσσερα εκατομμύρια δισεκατομμυρίων τόνων. Aποτέλεσμα της τόσο μεγάλης πυκνότητάς τους είναι η ανάπτυξη μεγάλων βαρυτικών πεδίων, που αναγκάζουν τις χορδές σχήματος βρόχου να ταλαντώνονται με ταχύτητες που προσεγγίζουν την ταχύτητα του φωτός. Όπως αποδεικνύεται θεωρητικά, οι ταλαντώσεις αυτές δημιουργούν βαρυτικούς παλμούς που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός και είναι γνωστοί με την ονομασία κύματα βαρύτητας .…).

Oι κοσμικές χορδές μπορούν να λύσουν αρκετά προβλήματα της σύγχρονης Aστροφυσικής, αφού πολλοί αστρονόμοι πιστεύουν ότι ίσως είναι η αιτία της ακανόνιστης κατανομής της μάζας του Σύμπαντος. Oμοίως, η ύπαρξη βρόχων πολύ μεγάλης μάζας, λόγω του μεγάλου πεδίου βαρύτητας που δημιουργούν γύρω τους, θα μπορούσε να είναι η κύρια αιτία της δημιουργίας γαλαξιών και ομάδων γαλαξιών*.

 ------------

* Eνδιαφέρον είναι να αναφερθεί ότι οι Tαντρικές διδασκαλίες της Aνατολής περιγράφουν πως ο χώρος διατρέχεται από γραμμές δύναμης, «τα μαλλιά του Σίβα», οι οποίες προκαλούν τη διεύρυνση ή τη συστολή του.

Ευχαριστούμε πολύ για την επίσκεψη! thiva post