Τα μεγάλα μυστήρια του Σύμπαντος
Λαλίνα Φαφούτη
25 Νοεμβρίου 2008
1. Η σκοτεινή ύλη
Η σκοτεινή ύλη είναι ακριβώς αυτό που λέει το όνομά της: μια μη ανιχνεύσιμη μυστηριώδης ύλη η οποία θεωρείται ότι είναι διάσπαρτη στο μεγαλύτερο μέρος του Διαστήματος. Δεν εκπέμπει και δεν αντανακλά φως ή κάποια άλλη ανιχνεύσιμη ακτινοβολία και οι επιστήμονες δεν μπορούν να αποδείξουν πλήρως την ύπαρξή της και να προσδιορίσουν τη σύστασή της. «Αισθάνονται» όμως ότι βρίσκεται εκεί από τα βαρυτικά φαινόμενα που προκαλεί στην ορατή ύλη, στους γαλαξίες και στα άστρα. Υπολογίζουν μάλιστα ότι καταλαμβάνει το 85% ως 90% του Σύμπαντος.
Ο πρώτος ο οποίος μίλησε για τη σκοτεινή ύλη ήταν ο Φριτς Τσβίκι, το 1933. Μελετώντας τη μάζα κάποιων απομακρυσμένων μεγάλων σμηνών γαλαξιών, ο ελβετός αστροφυσικός εύρισκε τεράστιες αποκλίσεις στους υπολογισμούς του. Μη μπορώντας να εξηγήσει αλλιώς αυτό το παράδοξο, πρότεινε τη θεωρία ότι στο Σύμπαν θα πρέπει να υπάρχει κάποια αόρατη μορφή ύλης την οποία οι ως τότε γνωστές μέθοδοι αδυνατούσαν να συλλάβουν. Παρ’ ότι σημαντική, η θεωρία του Τσβίκι παρέμεινε στο περιθώριο έως ότου, από τα τέλη της δεκαετίας του 1960 ως τα μέσα της δεκαετίας του 1970, η Βέρα Ρούμπιν, με τη βοήθεια νέων και περισσότερο ευαίσθητων φασματογράφων, παρουσίασε μια σειρά από νέα στοιχεία που στήριζαν την ύπαρξή της.
Αρχικά πολλοί αμφισβήτησαν την ύπαρξη αυτής της υποθετικής ύλης και ορισμένοι εξακολουθούν να την αμφισβητούν ακόμη. Κάποιοι θεωρούν τις ερμηνείες που βασίζονται σε αόρατα σωματίδια εντελώς εξωπραγματικές και υποστηρίζουν ότι τα προβλήματα που παρουσιάζονται στην αιτιολόγηση ορισμένων βαρυτικών φαινομένων οφείλονται στην εκ μέρους μας ελλιπή κατανόηση της βαρύτητας. Προτείνουν διάφορες θεωρίες για τη «διόρθωση» ή την «αναθεώρηση» των νόμων του Νεύτωνα, οι οποίες είναι συλλογικά γνωστές με τον χαρακτηρισμό Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND). Δεν έχουν ωστόσο πολλούς οπαδούς, ενώ τον Αύγουστο του 2006 μια μελέτη έδειξε ότι ακόμη και με την εφαρμογή ορισμένων από αυτές, η ανάγκη της σκοτεινής ύλης εξακολουθεί να υπάρχει.
Μια άλλη εναλλακτική προσέγγιση προσπαθεί να εξηγήσει τα προβληματικά βαρυτικά φαινόμενα μέσω της κβαντικής μηχανικής. Η πιο γνωστή από αυτές τις θεωρίες είναι η πολλά υποσχόμενη για ορισμένους θεωρία της σχετικότητας κλίμακος του Γάλλου αστροφυσικού Λοράν Νοτάλ, η οποία μπορεί να προβλέψει σωστά μεγάλης κλίμακας δομές στο Σύμπαν χωρίς να χρειαστεί να καταφύγει σε μυστηριώδεις δομές ύλης.
Προς το παρόν πάντως η σκοτεινή ύλη φαίνεται να είναι η μόνη ευρέως αποδεκτή λύση που μπορεί να στηρίξει τους βασικούς νόμους της Φυσικής, τις θεωρίες της Μεγάλης Έκρηξης και της Σχετικότητας, και γενικώς το γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται να συμπεριφέρεται σαν να περιέχει πολύ μεγαλύτερη ποσότητα μάζας από αυτή που μπορούμε να δούμε. Όλο και περισσότερες μελέτες έρχονται τα τελευταία χρόνια να στηρίξουν την ύπαρξή της ενώ τον περασμένο Ιανουάριο, με τη βοήθεια του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Χαμπλ, του Τηλεσκοπίου Σουμπαρού στη Χαβάη και του Πολύ Μεγάλου Τηλεσκοπίου στη Χιλή, μια ομάδα ερευνητών παρουσίασε την πρώτη τρισδιάστατη χαρτογράφησή της.
Η απτή σύστασή της παραμένει όμως άπιαστη. Κανείς δεν γνωρίζει ακόμη ποια είναι τα μυστηριώδη σωματίδια που την αποτελούν. Και εδώ οι θεωρίες που έχουν προταθεί είναι πολλές: από τα απλά και βαρέα νετρίνα και τους λευκούς νάνους ή άλλους νεκρούς πλανήτες γνωστούς συλλήβδην ως MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) ως κάποιες εξωτικές μικροσκοπικές δομές όπως το άξιον, τα στείρα νετρίνα και τα Wimp (Weakly interactive massive particles). Οι τελευταίες προτείνονται από την υπερσυμμετρία και ξεφεύγουν από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων. Βρίσκονται ακόμη στο στάδιο των ασκήσεων επί χάρτου, θεωρούνται όμως αυτή τη στιγμή – αν και όχι αμαχητί – οι επικρατέστεροι υποψήφιοι.
Η ύπαρξή τους μένει βεβαίως να αποδειχθεί. Ηδη διεξάγονται για αυτόν τον σκοπό πειράματα σε διάφορες χώρες – όπως το DAMA (Dark Matter) στην Ιταλία, το CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) στο Σουδάν ή το UK Dark Matter Collaboration στη Βρετανία – χωρίς όμως κάποιο συγκεκριμένο ως τώρα αποτέλεσμα. Οι ελπίδες των αστροφυσικών είναι αυτή τη στιγμή στραμμένες στο άμεσο μέλλον. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Αδρονίων (LHC) που θα αρχίσει να λειτουργεί το 2008, ο δορυφόρος Γαία που θα τεθεί σε τροχιά το 2012 για να μετρήσει τη θέση και την ταχύτητα δισεκατομμυρίων άστρων του Γαλαξία μας και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ που θα εκτοξευθεί το 2013 αναμένεται, αν όχι να δώσουν την τελική απάντηση, τουλάχιστον να προσφέρουν κάποιες πιο σαφείς ενδείξεις για τη λύση του μυστηρίου.
2. Η Θεωρία των Πάντων
Από όλες τις αναζητήσεις από τις οποίες είναι γεμάτη η ιστορία της Φυσικής η πιο μακρόχρονη, η περισσότερο φιλόδοξη και η πλέον αμφιλεγόμενη είναι αυτή για την εξεύρεση μιας θεωρίας η οποία θα ενοποιεί όλους τους φυσικούς νόμους που υπάρχουν. Ήδη ο Αριστοτέλης ήθελε να επινοήσει ένα λογικό σύστημα το οποίο θα μπορούσε να ερμηνεύσει τα πάντα. Ο Αϊνστάιν πίστευε ότι αν κατορθώσουμε να το βρούμε, «θα μπορέσουμε να διαβάσουμε το μυαλό του Θεού». Δικαίως η Θεωρία των Πάντων αποκαλείται το Γκράαλ – το Άγιο Δισκοπότηρο – της επιστήμης: κάποιοι αφιερώνουν τη ζωή τους στην ανακάλυψή της, άλλοι αμφισβητούν ακόμη και την ύπαρξή της.
Με τα μάτια του «κοινού» ανθρώπου το Σύμπαν μάς φαίνεται απόλυτα αρμονικό, απέραντο και ενιαίο, από τις πιο μικρές ως τις μεγαλύτερες κλίμακές του. Από την άποψη της θεωρητικής Φυσικής όμως το Σύμπαν χωρίζεται σε δύο αντίθετους κόσμους: τον μικροσκοπικό κόσμο των ατόμων και των σωματιδίων τους και τον απέραντο κόσμο των άστρων και των γαλαξιών, οι οποίοι διέπονται από εντελώς αντίθετους νόμους και θεωρίες. Η ασυμβατότητα των δύο βασικών μοντέλων των φυσικών επιστημών, του Καθιερωμένου Μοντέλου των Σωματιδίων και του Καθιερωμένου Μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης – με άλλα λόγια η απόλυτη ασυμβατότητα ανάμεσα στη Κβαντομηχανική και τη Γενική Σχετικότητα – αποτελεί ένα από τα μεγάλα προβλήματα που αντιμετωπίζουν αυτή τη στιγμή οι επιστήμονες.
Σήμερα η επιστήμη αναγνωρίζει ότι ο κόσμος διέπεται από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Αυτές είναι η βαρύτητα (η οποία λειτουργεί σε μεγάλες κλίμακες), ο ηλεκτρομαγνητισμός (ο οποίος συγκρατεί τα ηλεκτρόνια των ατόμων γύρω από τον πυρήνα τους), η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη (οι οποίες ενεργούν στο εσωτερικό του πυρήνα των ατόμων). Είναι αυτές οι δυνάμεις ανεξάρτητες ή αποτελούν διαφορετικές εκφάνσεις μιας ενιαίας θεμελιώδους δύναμης; Πολλοί θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι μάλλον ισχύει το δεύτερο, κανείς όμως ως τώρα δεν έχει μπορέσει να το αποδείξει πλήρως.
Στη δεκαετία του 1960 ο Σέλντον Γκλάσοου, ο Στίβεν Γουάινμπεργκ και ο Άμπντους Σαλάμ ένωσαν τον ηλεκτρομαγνητισμό και την ασθενή πυρηνική δύναμη στη λεγόμενη θεωρία της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας η οποία τους χάρισε το Βραβείο Νομπέλ το 1979. Το 1984 ο Κάρλο Ρούμπια και ο Σιμόν βαν ντερ Μέερ τιμήθηκαν με το πολυπόθητο βραβείο επειδή απέδειξαν ότι σε υψηλές ενέργειες οι δύο αυτές δυνάμεις μετατρέπονται σε μία ενώ με μεταγενέστερες εργασίες τους προσπάθησαν να ενώσουν την ηλεκτρασθενή θεωρία με την ισχυρή πυρηνική δύναμη στην περιθωριακή Θεωρία της Μεγάλης Ενοποίησης, η οποία έχει «γεννήσει» μια πληθώρα ως τώρα αόρατων και απροσδιόριστων νέων σωματιδίων.
Η μόνη δύναμη την οποία δεν έχει κατορθώσει κανείς να ενώσει με τις υπόλοιπες είναι η βαρύτητα. Το ζητούμενο λοιπόν για τη διατύπωση μιας Θεωρίας των Πάντων είναι η ενοποίηση της Κβαντομηχανικής με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Παρ’ ότι η κάθε μία από τις δύο θεωρίες λειτουργεί άψογα στην αντίστοιχη μικροσκοπική ή κοσμολογική κλίμακά της, καμία δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην κλίμακα της άλλης. Οι απόπειρες που έχουν γίνει για το πάντρεμα των δύο ασύμβατων κόσμων είναι πολλές, καμία όμως δεν έχει αποσπάσει τη γενική αποδοχή.
Η επικρατέστερη υποψήφια θεωρείται τα τελευταία χρόνια η θεωρία των Υπερχορδών, η οποία υποστηρίζει ότι το Σύμπαν αποτελείται από μικροσκοπικές παλλόμενες χορδές της τάξης των 10-35 μέτρων και έχει 10 ως 11 ή και περισσότερες διαστάσεις. Σε απόλυτα θεωρητικό επίπεδο η θεωρία αυτή φαίνεται να λειτουργεί καλά σε όλες τις κλίμακες, πολλοί όμως την απορρίπτουν επειδή η πειραματική της απόδειξη είναι αδύνατη, τουλάχιστον με τα σημερινά μέσα, καθώς θα απαιτούσε έναν επιταχυντή μορίων στο μέγεθος του Γαλαξία μας. Οι υπέρμαχοί της έχουν στραμμένες τις ελπίδες τους για κάποιες έμμεσες αποδείξεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Αδρονίων που θα αρχίσει να λειτουργεί το 2008 και στη χαρτογράφηση της κοσμικής ακτινοβολίας, η οποία θα ξεκινήσει μέσα στον ίδιο χρόνο. Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών ίσως μας φέρουν τελικά μπροστά στο πολυπόθητο Γκράαλ των φυσικών.
3. Οι άγνωστες διαστάσεις
Για έναν ακροβάτη ο οποίος ισορροπεί σε τεντωμένο σχοινί αυτό έχει μία μόνο διάσταση. Για ένα έντομο το οποίο περπατάει γύρω του έχει δύο. Ανάλογα δηλαδή με την οπτική γωνία από την οποία κοιτάζει κανείς, οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι το Σύμπαν έχει ίσως και δεκάδες διαστάσεις. Πόσες διαστάσεις υπάρχουν; Στη γήινη καθημερινή ζωή μας και στο ανθρώπινο επίπεδο οι διαστάσεις είναι τρεις: το μήκος, το πλάτος και το ύψος. Η Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν ήλθε να προσθέσει στο επίπεδο του Σύμπαντος μια τέταρτη, τον χρόνο. Αυτή η τέταρτη διάσταση είναι δύσκολο να συλληφθεί από την ανθρώπινη τρισδιάστατη λογική και τα αισθητήρια όργανά μας, μπορούμε όμως σε ένα βαθμό να κατανοήσουμε την ύπαρξή της όταν ταξιδεύουμε.
Η σύγχυση ωστόσο δεν σταματάει εδώ. Τα πράγματα γίνονται ακόμη δυσκολότερα όσο ανεβαίνουμε τα θεωρητικά επίπεδα της επιστήμης. Τα Μαθηματικά έχουν εισαγάγει μια πέμπτη διάσταση η οποία λειτουργεί άψογα στις αφηρημένες μαθηματικές κατασκευές, η ύπαρξή της όμως στο πραγματικό Σύμπαν αποτελεί ακόμη αντικείμενο διερεύνησης. Για να εξηγήσουν διάφορα φαινόμενα και υποθέσεις, αρκετές προωθημένες θεωρίες μιλούν σήμερα για ακόμη περισσότερες διαστάσεις και πολυδιάστατους κόσμους τους οποίους ποτέ δεν θα μπορέσουμε να «δούμε» ή να κατανοήσουμε, τουλάχιστον όσο διατηρούμε τη σημερινή ανθρώπινη υπόστασή μας.
Το ζήτημα, όπως τίθεται, είναι εντελώς υποκειμενικό. Ένα παράδειγμα που προτείνεται για την κατανόηση της ύπαρξης των – αόρατων – επιπλέον διαστάσεων είναι αυτό του «τεντωμένου σχοινιού». Για έναν ακροβάτη ο οποίος ισορροπεί επάνω του το τεντωμένο σχοινί έχει μία μόνο διάσταση. Για ένα έντομο το οποίο περπατάει γύρω του έχει δύο. Κάπως έτσι, ανάλογα με την οπτική γωνία από την οποία κοιτάζει κανείς, οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι το Σύμπαν έχει ίσως και δεκάδες διαστάσεις οι οποίες βρίσκονται εκτός της σφαίρας της αντίληψής μας: είτε είναι υπερβολικά μικρές και γι’ αυτό μας είναι αόρατες είτε είναι υπερβολικά μεγάλες και γι’ αυτό ξεφεύγουν εντελώς από τα μέτρα μας.
Στη δεκαετία του 1920 είχε διατυπωθεί η λεγόμενη «υπόθεση της αμοιβάδας»: ο τρισδιάστατος χώρος μας – αυτός τον οποίον εμείς μπορούμε να αντιληφθούμε με τις ανθρώπινες ιδιότητές μας – πλέει στο Σύμπαν σαν μια αμοιβάδα στην επιφάνεια μιας λίμνης, χωρίς να έχει καμία συνείδηση του βάθους του νερού ή του ύψους του αέρα. Η υπόθεση επανήλθε στη δεκαετία του 1970 από τη θεωρία των χορδών η οποία, στις διάφορες εκδοχές της, υποστηρίζει ότι το Σύμπαν που δεν μπορεί να αντιληφθεί η αμοιβάδα του ανθρώπινου κόσμου έχει 10 ως 11 ή ίσως και 26 διαστάσεις. Οι περισσότερες από αυτές λειτουργούν σε υποατομικό επίπεδο και μας διαφεύγουν εντελώς: μπορούμε να συλλάβουμε μόνο όσες από αυτές έχουν μακροσκοπικό μέγεθος, δηλαδή τις τρεις διαστάσεις που γνωρίζουμε και αντιλαμβανόμαστε.
Όλα αυτά βεβαίως μένουν να αποδειχθούν. Το επόμενο διάστημα θεωρείται ότι ίσως μας φέρει πιο κοντά σε κάποιες ενδείξεις για την ύπαρξη αόρατων διαστάσεων. Ορισμένοι ερευνητές ευελπιστούν να τις ανακαλύψουν στον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Αδρονίων. Παράλληλα ο Γκάρι Σίου, ερευνητής του Πανεπιστημίου του Γουισκόνσιν, έχει προτείνει μια μέθοδο ανίχνευσής τους στην κοσμική ακτινοβολία, για να την εφαρμόσει όμως θα πρέπει να περιμένει την ακριβή χαρτογράφησή της από τον δορυφόρο Planck, ο οποίος θα τεθεί σε τροχιά το 2008.
4. Η σκοτεινή ενέργεια
Εξίσου μυστηριώδης και αόρατη με τη σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται και αυτή να είναι εξαπλωμένη στο μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος: Όπως πολλά πράγματα στην επιστήμη, ανακαλύφθηκε και αυτή τυχαία. Το 1998 δύο ανεξάρτητες ομάδες επιστημόνων μελετούσαν μακρινούς σουπερνόβα θέλοντας να αποδείξουν την ως τότε κυρίαρχη υπόθεση: ότι δηλαδή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη η διαστολή του Σύμπαντος άρχισε να επιβραδύνεται υποκύπτοντας στις δυνάμεις της βαρύτητας. Προς μεγάλη τους έκπληξη και οι δύο ομάδες ερευνητών διαπίστωσαν το εντελώς αντίθετο: αντί να συγκρατείται από τις βαρυτικές δυνάμεις το Σύμπαν εξακολουθούσε να διαστέλλεται με όλο και μεγαλύτερη ταχύτητα.
Η ανακάλυψη, η οποία έκτοτε επιβεβαιώθηκε με περαιτέρω αποδείξεις, προκάλεσε πραγματικό σοκ στον κόσμο της Φυσικής. Η μόνη εξήγηση που φαίνεται να υπάρχει για την αιτιολόγησή της είναι ότι εκτός από τη βαρύτητα στο Σύμπαν επενεργεί και μια άλλη, αντίθετη δύναμη, η οποία την εξουδετερώνει. Η μυστηριώδης αυτή αντιβαρυτική δύναμη ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια και παρ’ ότι άγνωστη μόλις πριν από μια δεκαετία, υπολογίζεται ότι αποτελεί το 75% του Σύμπαντος. Ασκεί αρνητική πίεση – αν μπορούσαμε, για παράδειγμα, να την κλείσουμε μέσα σε ένα μπαλόνι αντί να το φουσκώνει θα το «ρουφούσε» προς τα μέσα – και οι ειδικοί δεν γνωρίζουν τίποτε για τη μορφή και τη φύση της.
Μια θεωρία τη θέλει να συμπίπτει με την Κοσμολογική Σταθερά (Λ), μια μαθηματική κατασκευή που ο Αϊνστάιν είχε συλλάβει για να ερμηνεύσει το στατικό Σύμπαν του αλλά αναγκάστηκε γρήγορα να αποσύρει. Παρά το γεγονός ότι η σταθερά του επινοήθηκε με στόχο να περιγράψει μια δύναμη η οποία «φρενάρει» τη διαστολή του Σύμπαντος, σήμερα αποδεικνύεται ότι με μερικές κατάλληλες προσαρμογές μπορεί να ερμηνεύσει την επιτάχυνσή της.
Σε αυτή την προσέγγιση έρχεται να προστεθεί η θεωρία του κβαντικού κενού ή, για να είμαστε ακριβέστεροι, της κβαντικής μηδενικής κατάστασης. Η Κβαντομηχανική θεωρεί ότι το κενό δεν είναι κενό αλλά υπόκειται στην ενέργεια του σημείου μηδέν. Αυτή η ενέργεια θα μπορούσε σύμφωνα με ορισμένους θεωρητικούς να δρα αντίθετα στη βαρύτητα επιταχύνοντας την κοσμική διαστολή, ακριβώς σαν μια κοσμολογική σταθερά. Το μόνο πρόβλημα είναι ότι με βάση τους κβαντικούς υπολογισμούς η ενέργεια της μηδενικής κατάστασης θα έπρεπε να είναι 60 ως 120 φορές μεγαλύτερη από τη μυστηριώδη ενέργεια που εντοπίζουν οι παρατηρήσεις στο Σύμπαν.
Μια άλλη ερμηνεία υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί μια «πεμπτουσία», ένα δυναμικό πεδίο ενέργειας με πυκνότητα η οποία μπορεί να κυμαίνεται στον χώρο και τον χρόνο. Κάποιοι, τέλος, τη θεωρούν ανύπαρκτη και προτείνουν τροποποιήσεις στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας ώστε να ελαττωθεί η δύναμη της βαρύτητας.
Προς το παρόν όλα είναι ανοιχτά και η σκοτεινή ενέργεια παραμένει άγνωστη. Καθώς δε είναι από τα πιο πρόσφατα αινίγματα που έχουν προκύψει για την Κοσμολογία, οι έρευνες και οι παρατηρήσεις που θα βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόησή της τώρα αρχίζουν να διοργανώνονται. Το κύριο μέρος τους στρέφεται προς τη μελέτη όσο το δυνατόν περισσότερων μακρινών σουπερνόβα και τη χαρτογράφηση των βαρυτικής παραμόρφωσης απομακρυσμένων γαλαξιών.
5. Το Μποζόνιο Χιγκς
Αποκαλείται «σωματίδιο-θεός» και, παρ’ ότι αποτελεί έναν από τους ακρογωνιαίους λίθους της σωματιδιακής Φυσικής, είναι το μόνο από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου που εξακολουθεί να διαφεύγει από τα όργανα παρατήρησης των ερευνητών. Σαράντα και πλέον χρόνια μετά την ανακάλυψή του η ύπαρξη του μποζονίου Χιγκς – ο μόνος τρόπος που οι επιστήμονες έχουν στη διάθεσή τους για να δικαιολογήσουν τη μάζα των σωματιδίων – δεν έχει ακόμη αποδειχθεί πειραματικά.
Αντίθετα με τα φωτόνια, τα οποία δεν έχουν μάζα, τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν, και μάλιστα ορισμένα από αυτά, όπως τα μποζόνια w και z, πολύ μεγάλη. Το γεγονός αυτό ωστόσο δεν συμφωνεί με τη λεγόμενη βασική συμμετρία βαθμίδας – η οποία εξασφαλίζει τη σταθερότητα στη θεμελιώδη θεωρία της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας – και αποτελούσε ένα βασικό πρόβλημα για τη θεωρητική Φυσική. Η λύση προτάθηκε το 1964 από τον Πίτερ Χιγκς, τον Φρανσουά Ανζιέρ και τον Ρομπέρ Μπρου, με την εισαγωγή ενός νέου, θεωρητικού σωματιδίου, του μποζονίου Χιγκς, το οποίο δεν έδωσε εξήγηση μόνο για τα μποζόνια w και z, αλλά για τη μάζα όλων των σωματιδίων του Καθιερωμένου Μοντέλου.
Παρά τις έρευνες όμως που διεξάγονται όλες αυτές τις δεκαετίες και παρά τις έμμεσες αποδείξεις που δείχνουν προς αυτό, οι φυσικοί δεν έχουν κατορθώσει ως σήμερα να παράσχουν μια άμεση απόδειξη για την ύπαρξη του «σωματιδίου-θεού». Προσπάθειες για την ανίχνευσή του έχουν γίνει στον LEP, τον επιταχυντή του CERN στην Ελβετία, και εξακολουθούν να γίνονται στον Tevatron, τον επιταχυντή του Εργαστηρίου Φέρμι στις Ηνωμένες Πολιτείες, χωρίς κάποια σημαντική πρόοδο. Οι ερευνητές αισθάνονται ωστόσο ότι βρίσκονται πάρα πολύ κοντά. Ο αναμενόμενος Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Αδρονίων (LHC) θεωρείται ότι θα δώσει επιτέλους την πολυπόθητη απάντηση.
6. Η γέννηση των γαλαξιών
Πώς ακριβώς ήταν οι πρώτοι γαλαξίες που σχηματίστηκαν μετά τη Μεγάλη Εκρηξη; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα θα μας βοηθήσει να μάθουμε πολλά για τη γέννηση του Σύμπαντος. Οι επιστήμονες την αναζητούν στις πιο απομακρυσμένες γωνιές του Διαστήματος: όσο πιο μακριά μπορέσουν να κοιτάξουν τόσο πιο κοντά θα φθάσουν στο παρελθόν και στις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του κόσμου.
Γνωρίζοντας την ταχύτητα του φωτός οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν σε ποια χρονική περίοδο βρίσκονται τα σώματα που παρατηρούν στο στερέωμα. Κάποια από αυτά, παρ’ ότι είναι ορατά σε εμάς, έχουν ίσως πάψει από καιρό να υπάρχουν. Η ακτινοβολία που εξέπεμψαν όμως κατά τη διάρκεια της ζωής τους εξακολουθεί να ταξιδεύει μεταφέροντας πολύτιμες πληροφορίες. Το πρόβλημα είναι ότι όσο μεγαλύτερη απόσταση διανύει γίνεται όλο και πιο αδύναμη, δίνοντας μια θολή, ασαφή εικόνα. Επιπλέον, όλο και πιο εξελιγμένες έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια έχουν θολώσει ακόμη περισσότερο το τοπίο παρέχοντας στοιχεία τα οποία δεν είναι συμβατά με αυτά που ανέμεναν οι κρατούσες θεωρίες.
Σύμφωνα με την κρατούσα άποψη η δημιουργία των γαλαξιών ακολούθησε μια ιεραρχική δομή: αρχικά σχηματίστηκαν μικροί και ακανόνιστοι σχηματισμοί οι οποίοι στη συνέχεια ενώθηκαν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μεγαλύτερους. Στη δεκαετία του 1990 απεικονίσεις γαλαξιών που υπολογίζεται ότι σχηματίστηκαν 5 ως 6 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη γέννηση του Σύμπαντος – η οποία τοποθετείται στα 13,7 δισ. χρόνια πριν από την εποχή μας – φάνηκαν να επιβεβαιώνουν αλλά ταυτόχρονα και να αντικρούουν αυτό το γεγονός. Οι περισσότεροι από τους απεικονιζόμενους γαλαξίες ήταν μικροί και ανομοιογενείς. Ορισμένοι όμως έδειχναν να είναι εξαιρετικά εξελιγμένοι και μεγάλοι κατά τη στιγμή της δημιουργίας τους ενώ κάποιοι άλλοι φαίνονταν να έχουν μεγαλύτερη ηλικία και από το ίδιο το Σύμπαν.
Μήπως η θεωρία του ιεραρχικού μοντέλου δεν είναι τελικά σωστή; Βοήθησε, όπως πιστεύουν ορισμένοι, η σκοτεινή ύλη στον σχηματισμό πολύ μεγάλων και εξελιγμένων γαλαξιών αμέσως μετά τη γέννηση του Σύμπαντος; Για να λύσουν αυτές τις απορίες οι αστρονόμοι πρέπει να μάθουν περισσότερα. Πρέπει να μελετήσουν ακόμη αρχαιότερους γαλαξίες και συγκεκριμένα αυτούς που γεννήθηκαν περίπου 1 δισ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη από τις πρώτες συγκεντρώσεις της ύλης που απελευθερώθηκαν από αυτή. Οι έρευνές τους έχουν εντοπίσει κάποιους υποψηφίους, ακόμη όμως δεν διαθέτουν τα μέσα για να κάνουν τις απαραίτητες παρατηρήσεις. Οι εξελιγμένοι φασματογράφοι EMIR και KMOS, που θα εγκατασταθούν αντίστοιχα το 2009 και το 2011 στο τηλεσκόπιο Crante Can (GTC) στην Ισπανία και στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στη Χιλή, καθώς και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ, που θα εκτοξευθεί το 2013, αναμένεται να τους βοηθήσουν σημαντικά.
7. Το αίνιγμα της αντιύλης
Η αντιύλη είναι αυτό που θα λέγαμε σε απλή γλώσσα το αντίθετο της ύλης. Ολα σε αυτήν περιγράφονται με το πρόθεμα «αντί-»: αποτελείται από αντισωματίδια τα οποία είναι το ακριβώς αντίθετο των σωματιδίων που αποτελούν την ύλη που γνωρίζουμε. Ένα άτομο αντιυδρογόνου, για παράδειγμα, αποτελείται από ένα αρνητικά φορτισμένο αντιπρωτόνιο, γύρω από το οποίο περιστρέφεται ένα θετικά φορτισμένο αντιηλεκτρόνιο, το ποζιτρόνιο. Αν ένα αντισωματίδιο και ένα σωματίδιο συγκρουστούν, αλληλοεκμηδενίζονται παράγοντας ηλεκτρομαγνητική ενέργεια όπως οι ακτίνες Γάμμα.
Η αντίθετη αυτή ύλη ανακαλύφθηκε τον Δεκέμβριο του 1927 από τον Πολ Ντιράκ στην προσπάθειά του να συνδυάσει τη Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν με τη Κβαντομηχανική. Λίγα χρόνια αργότερα, το 1932, ο Καρλ Άντερσον απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη του ποζιτρονίου, επιβεβαιώνοντας τις θεωρίες του Βρετανού φυσικού. Η εξίσωση του Ντιράκ ωστόσο παρουσιάζει ένα πρόβλημα το οποίο παραμένει άλυτο ως τις μέρες μας. Σύμφωνα με αυτήν, για κάθε σωματίδιο ύλης θα πρέπει να υπάρχει ένα αντισωματίδιο αντιύλης. Αυτό όμως δεν συμβαίνει. Η αντιύλη κατασκευάζεται τεχνητά και βρίσκει εφαρμογές στην Ιατρική και άλλους τομείς, αλλά δεν υπάρχει ελεύθερη στη Γη και κυριολεκτικά σπανίζει στο Σύμπαν. Παρά τις επίμονες αναζητήσεις τους, οι ειδικοί δεν έχουν εντοπίσει στο Διάστημα περισσότερα από ένα αντισωματίδιο για κάθε 1 δισ. σωματίδια.
Η εξαφάνιση της αντιύλης αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια για όσους ασχολούνται με τη σωματιδιακή φυσική και όχι μόνο. Διάφορες θεωρίες έχουν προσπαθήσει να ερμηνεύσουν αυτή την ασυμμετρία. Ορισμένοι έχουν φθάσει να αμφισβητούν το Καθιερωμένο Μοντέλο των Σωματιδίων, οι αμφισβητήσεις όμως αυτές απορρίπτονται από την πλειονότητα του επιστημονικού κόσμου γιατί μέσα στους επιταχυντές μορίων όλες οι εξισώσεις δίνουν απολύτως συμμετρικά αποτελέσματα. Άλλες θεωρίες μιλούν για παράλληλα – και αδύνατα στην απόδειξή τους – σύμπαντα ή για αντισωματίδια τα οποία έχουν την ικανότητα να μεταμορφώνονται σε «κανονικά» σωματίδια. Μια άλλη προσέγγιση υποστηρίζει επίσης ότι η ύλη και η αντιύλη δημιουργήθηκαν ταυτόχρονα στη Μεγάλη Έκρηξη και αμέσως αλληλοεξουδετερώθηκαν αλλά, εξαιτίας μιας μικρής διαφοράς στον αριθμό των σωματιδίων της, η ύλη κατόρθωσε να επικρατήσει της αντιύλης.
Τα πειράματα Babar και Belle που διεξάγονται στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία καθώς και άλλες έρευνες που στο άμεσο μέλλον θα αρχίσουν να εξετάζουν την ασυμμετρία ύλης και αντιύλης στα νετρίνα αναμένονται να φέρουν στους ειδικούς κάποιες απαντήσεις. Εως ότου όμως συλλεγούν και αναλυθούν όλα τα στοιχεία η λύση του μυστηρίου θα πρέπει να περιμένει, από δύο χρόνια ως και δύο δεκαετίες.
8. Υπάρχει ζωή και αλλού;
Το ερώτημα αν υπάρχει ζωή σε άλλους πλανήτες παραμένει ανοιχτό για την επιστήμη. Μια – όχι ακριβώς επιστημονική – άποψη υποστηρίζει ότι είναι εξαιρετικά εγωιστικό να θεωρήσουμε ότι είμαστε τα μοναδικά ζωντανά πλάσματα σε ολόκληρο το Σύμπαν. Ακόμη όμως και αν δούμε το ζήτημα καθαρά επιστημονικά, τίποτε μεν δεν συνηγορεί υπέρ μιας θετικής απάντησης, αλλά και τίποτε δεν την αποκλείει. Αντιθέτως, ορισμένες πρόσφατες ανακαλύψεις φαίνονται να δίνουν σε αυτό το «ίσως» μεγαλύτερη καταφατική βαρύτητα.
Τα δύο βασικά ζωογόνα συστατικά στη Γη είναι ο άνθρακας και το νερό: συντελούμενη μέσα στο υδάτινο στοιχείο, η οργανική χημεία θέτει σε κίνηση όλους τους μηχανισμούς που είναι απαραίτητοι για τη ζωή. Η οργανική χημεία φαίνεται να είναι παρούσα σε όλο το Σύμπαν, γι’ αυτό και όλες σχεδόν οι έρευνες που έχουν γίνει ως τώρα για τον εντοπισμό ζωής σε άλλους πλανήτες αναζητούν ενδείξεις για την ύπαρξη νερού σε υγρή μορφή, το οποίο θα της επιτρέψει να αναπτύξει τη ζωοποιό λειτουργία της.
Ισχυρότερες ή ασθενέστερες ενδείξεις για την παρουσία νερού έχουν βρεθεί από τους ειδικούς σε διάφορα σημεία του Σύμπαντος, ακόμη και σε γειτονικά μας ουράνια σώματα όπως ο Άρης. Τίποτε όμως προς το παρόν δεν δείχνει σημάδια πραγματικής ζωής, ούτε καν στην ατελή μορφή των βακτηρίων.
Ας πάρουμε για παράδειγμα τον Άρη, ο οποίος τα τελευταία χρόνια έχει αποκαλύψει αρκετά μυστικά του χάρη στις πρόσφατες αποστολές της NASA. Όλα τα στοιχεία δείχνουν ότι ο Κόκκινος Πλανήτης διέθετε κάποτε μεγάλες ποσότητες νερού. Σήμερα ωστόσο το ζωογόνο υγρό φαίνεται να απουσιάζει παντελώς από το έδαφός του ενώ τα διαστημικά οχήματα που συλλέγουν δείγματα και κάνουν αναλύσεις δεν έχουν ως τώρα ανακαλύψει ούτε ένα ίχνος ζωντανού οργανισμού.
Σύμφωνα με τις υποθέσεις των ειδικών η παρουσία του νερού ενδέχεται να είναι πιο άφθονη λίγο πιο μακριά στο ηλιακό μας σύστημα, σε κάποιους δορυφόρους του Δία και του Κρόνου. Ο Τιτάνας, η Ευρώπη και ο Εγκέλαδος ίσως κρύβουν στο υπέδαφός τους υπόγειους υδάτινους ωκεανούς οι οποίοι ενδέχεται να βρίθουν από ζωή. Ακόμη και αν υπάρχει ωστόσο αυτή η μορφή ζωής θεωρείται απίθανο να έχει εξελιχθεί περισσότερο από το επίπεδο των βακτηρίων.
Μια λιγότερο διαδεδομένη στους επιστημονικούς κλάδους προσέγγιση υποστηρίζει ότι η ζωή δεν έχει απαραίτητα ανάγκη την οργανική και την υδάτινη χημεία για να αναπτυχθεί. Μεμονωμένες έρευνες, κυρίως σε ένζυμα, φαίνονται να στηρίζουν την άποψη ότι σε άλλους κόσμους μορφές ζωής εντελώς διαφορετικές από τη δική μας μπορεί να έχουν αναπτυχθεί βασιζόμενες σε όποια «υλικά» ήταν διαθέσιμα στο περιβάλλον τους: στο πυρίτιο, στο διοξείδιο του άνθρακα, ακόμη και σε διάφορα οξέα.
Για να επιστρέψουμε όμως στην κρατούσα άποψη, η πλειονότητα των ειδικών φαίνονται να συμφωνούν ότι τα μέρη στα οποία έχουμε μεγαλύτερες πιθανότητες να εντοπίσουμε την ύπαρξη μιας μορφής ζωής ανάλογης με τη δική μας είναι εκείνα που μοιάζουν περισσότερο με το δικό μας περιβάλλον. Πλανήτης παρόμοιος με τη Γη δεν υπάρχει στο ηλιακό μας σύστημα, οι αστρονόμοι όμως έχουν εντοπίσει διάφορους υποψηφίους σε άλλα, πιο μακρινά συστήματα. Ο επικρατέστερος προς το παρόν θεωρείται ο Gliese 581c, ο οποίος ανακαλύφθηκε τον περασμένο Απρίλιο στον αστερισμό του Ζυγού από μια ομάδα ερευνητών του Παρατηρητηρίου της Γενεύης. Βρίσκεται σε «κατοικήσιμη απόσταση» από τον Ήλιο του, οι θερμοκρασίες του υπολογίζεται ότι είναι παρόμοιες με αυτές της Γης και θεωρείται πολύ πιθανό να έχει νερό σε υγρή μορφή. Οι «γήινες» ιδιότητές του χρήζουν ωστόσο ακόμη διερεύνησης και ο κατάλληλος εξοπλισμός για την πραγματοποίηση των απαραίτητων ερευνών αναμένεται να αναπτυχθεί τα επόμενα χρόνια.
ΠΗΓΗ: www.tovima.gr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Σημείωση: Μόνο ένα μέλος αυτού του ιστολογίου μπορεί να αναρτήσει σχόλιο.