Κοσμολογία

Το 1996, το περιοδικό Discover δημοσίευσε ένα πρωταπριλιάτικο αστείο που αφορούσε κάποια γιγαντιαία σωματίδια ονόματι «bigons» τα οποία θα μπορούσαν να ευθύνονται για κάθε είδους ανεξήγητο φαινόμενο. Τώρα, σε μια τυπική περίπτωση όπου η πραγματικότητα αντιγράφει την τέχνη, μερικοί φυσικοί προβάλλουν την άποψη ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος αποτελείται από τεράστια σωματίδια, μεγέθους ετών φωτός ή και περισσότερο. Μεταξύ αυτών των κολοσσιαίων, διαρκώς συγκρουόμενων σωματιδίων, η συνήθης ύλη προβάλλει δειλά, σαν τους τυφλοπόντικες που τρέχουν πανικόβλητοι να γλυτώσουν το ποδοπάτημα των δεινοσαύρων.

Η παραπάνω ιδέα προέκυψε στην προσπάθεια εξήγησης ενός αινιγματικού γεγονότος που σχετίζεται με τη σκοτεινή ύλη. Η σκοτεινή ύλη, αν και συσσωματώνεται στις τεράστιες κλίμακες δημιουργώντας αντικείμενα, όπως σμήνη γαλαξιών, φαίνεται να αντιστρατεύεται τη συσσωμάτωση στις μικρότερες. Οι αστρονόμοι παρατηρούν πολύ λιγότερους γαλαξίες και υπογαλαξιακά αέρια νέφη από όσα θα προέβλεπε μια απλή παρέκταση από τα σμήνη. Σύμφωνα με τα παραπάνω, λοιπόν, πολλοί πρότειναν ότι τα σωματίδια που συγκροτούν τη σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρούν μεταξύ τους όπως τα μόρια ενός αερίου, παράγοντας δηλαδή πίεση η οποία αντισταθμίζει τη βαρυτική δύναμη.

Ωστόσο, η υπόθεση των μεγάλων σωματιδίων υιοθετεί μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να προσάπτει μια νέα ιδιότητα στα «σκοτεινά» σωματίδια, εκμεταλλεύεται την εγγενή τάση οιουδήποτε κβαντικού σωματιδίου να αντιτίθεται στον περιορισμό. Αν περιορίσετε κάποιο από αυτά, μειώνετε την απροσδιοριστία της θέσης του, αυξάνετε όμως την απροσδιοριστία της ορμής του. Κατ’ ουσίαν, ο περιορισμός αυξάνει την ταχύτητα του σωματιδίου, παράγοντας μια πίεση η οποία αντιτάσσεται στη δύναμη που εφαρμόζετε. Η κβαντική «κλειστοφοβία» γίνεται σημαντική σε αποστάσεις συγκρίσιμες με το ισοδύναμο μήκος κύματος του σωματιδίου. Ο αγώνας κατά της βαρυτικής συσσωμάτωσης θα απαιτούσε μήκος κύματος της τάξεως μερικών δεκάδων ετών φωτός.

Τι είδους σωματίδιο, όμως, θα μπορούσε να έχει τέτοιες αστρονομικές διαστάσεις; Όπως συμβαίνει, οι φυσικοί προβλέπουν την ύπαρξη πολλών ενεργειακών πεδίων των οποίων τα αντίστοιχα σωματίδια θα ταίριαζαν στην περίπτωση. Πρόκειται για τα λεγόμενα βαθμωτά πεδία. Τέτοια πεδία ξεπηδούν τόσο από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής όσο και από τη θεωρία χορδών. Παρότι παραμένει η εκκρεμότητα της πειραματικής τους ανίχνευσης, οι θεωρητικοί είναι βέβαιοι για την ύπαρξή τους.

Οι κοσμολόγοι αποδίδουν σε βαθμωτά πεδία και τον κοσμικό πληθωρισμό, ίσως δε και τη σκοτεινή ενέργεια ―η οποία είναι διαφορετική από τη σκοτεινή ύλη και ευθύνεται για την παρατηρούμενη σήμερα επιτάχυνση της κοσμική διαστολής. Στο πλαίσιο αυτών των θεωριών, τα πεδία φέρνουν το επιθυμητό αποτέλεσμα επειδή αποτελούν την απλούστερη γενίκευση της κοσμολογικής σταθεράς τού Αϊνστάιν. Αν ένα βαθμωτό πεδίο μεταβάλλεται αργά, μοιάζει με σταθερά, τόσο λόγω του παγιωμένου μεγέθους του όσο και της έλλειψης προτιμητέας κατεύθυνσης. Σε αυτή την περίπτωση, η θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι το βαθμωτό πεδίο προκαλεί βαρυτική άπωση. Ωστόσο, αν το πεδίο μεταβάλλεται ή ταλαντώνεται αρκετά γρήγορα, παράγει βαρυτική έλξη ―ακριβώς όπως και η συνήθης ή η σκοτεινή ύλη. Οι φυσικοί είχαν προτείνει την ύπαρξη σωμάτων που συντίθενται από βαθμωτά πεδία ήδη από τη δεκαετία του 1960, η ιδέα δε ανασύρθηκε από τη λήθη στα τέλη της δεκαετίας του 1980, άρχισε όμως να εδραιώνεται μόλις πριν από 4 χρόνια.

Δύο από τους πρωταγωνιστές του τομέα είναι ο Tonatiuh Matos Chassin, του Κέντρου Ερευνών και Ανωτέρων Σπουδών της Πόλης του Μεξικού, και ο Luis Urena Lόpez, του Πανεπιστημίου του Γκουαναχουάτο (Μεξικό). Τον Ιούνιο, σε ένα εργαστήριο του Κεντρικού Πανεπιστημίου τής Λας Βίλιας (UCLV) της Κούβας, οι παραπάνω επιστήμονες περιέγραψαν πώς βαθμωτά πεδία μπορούν να αναπαραγάγουν την εσωτερική δομή των γαλαξιών. Όταν τα σωματίδια συσσωματώνονται σε γαλαξιακές κλίμακες, επικαλύπτονται και σχηματίζουν ένα συσσωμάτωμα Bose-Einstein ―μια γιγαντιαία εκδοχή των σωρών από ψυχρά άτομα που δημιούργησαν οι πειραματικοί την τελευταία δεκαετία. Το συσσωμάτωμα έχει μάζα και πυκνότητα που ταιριάζει με αυτές των πραγματικών γαλαξιών.

Το γεγονός ότι ο πληθωρισμός, η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη μπορούν να αποδοθούν σε βαθμωτά πεδία υπονοεί ότι ίσως υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ τους. Ο Israel Quiros από το UCLV ισχυρίστηκε στο εργαστήριο ότι το ίδιο πεδίο θα μπορούσε να εξηγήσει τον πληθωρισμό και τη σκοτεινή ενέργεια. Αλλοι φυσικοί έχουν εργαστεί πάνω στη σύνδεση των δύο «σκοτεινών» οντοτήτων. « Όπως συνήθιζαν να λένε οι πρεσβύτεροι συνάδελφοί μου, “Η επίκληση της καλής νεράιδας του παραμυθιού επιτρέπεται μόνον άπαξ”» σχολιάζει ο Robert Scherrer, του Πανεπιστημίου Vanderbilt (Τενεσί, ΗΠΑ). «Τώρα όμως πρέπει να την επικαλεστούμε δύο φορές, αφού πρέπει να αξιώσουμε την ύπαρξη ενός σωματιδίου που δεν έχει ανακαλυφθεί μέχρι τώρα ως το συστατικό της σκοτεινής ύλης αλλά και μια άγνωστη πηγή για τη σκοτεινή ενέργεια. Το δικό μου μοντέλο, ωστόσο, τα πετυχαίνει και τα δύο χάρις σε ένα και μόνο πεδίο.»

Εντούτοις, όλα αυτά τα μοντέλα υποφέρουν από ένα εξαιρετικά ενοχλητικό πρόβλημα. Επειδή το μήκος κύματος κάθε σωματιδίου είναι αντιστρόφως ανάλογο προς τη μάζα του, το αστρονομικό μέγεθος των εν λόγω σωματιδίων αντιστοιχεί σε μια σχεδόν γελοία μικρή μάζα, της τάξεως των 10-23 ηλεκτρονιοβόλτ (σε σχέση με το περίπου 109 ηλεκτρονιοβόλτ της μάζας του πρωτονίου). Το γεγονός αυτό απαιτεί οι νόμοι της φυσικής να διέπονται από μια συμμετρία που κανείς δεν φανταζόταν ώς τώρα. «Τέτοιου είδους συμμετρίες είναι δυνατόν να υπάρχουν, αν και φαίνονται λιγάκι φτιαχτές» δηλώνει ο φυσικός Sean Carroll του Πανεπιστημίου του Σικάγου. Επιπλέον, το κύριο κίνητρο για την ανάπτυξη της ιδέας των μεγάλων σωματιδίων ―ήτοι, η αντίστασή τους στη συσσωμάτωση― έγινε λιγότερο επιτακτικό τώρα που οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν ότι το ίδιο επιθυμητό αποτέλεσμα μπορούν να πετύχουν και περισσότερο πεζές διαδικασίες, όπως ο σχηματισμός των άστρων. Ακόμη κι έτσι, όμως, καθώς οι φυσικοί αναζητούν παντού την εξήγηση των μυστηρίων της σκοτεινής ύλης, είναι αναπόφευκτο ότι θα προκύψουν και μερικές πολύ μεγάλες ιδέες.

Επιστημονικά Νέα - Νοέμβριος, 2004