Κατανοώντας τη βαρύτητα: Η αναζήτηση για επιπλέον διαστάσεις σε νανοκλίμακα

Αρχή της πειραματικής δοκιμής του νόμου του αντιστρόφου τετραγώνου της βαρύτητας σε κλίμακα νανομέτρων μέσω της σκέδασης των νετρονίων. Η απόκλιση από το νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου θα παρατηρηθεί σαν την τροποποίηση στη γωνιακή κατανομή των σκεδασμένων νετρονίων.

Το σύμπαν μας έχει τρεις χωρικές διαστάσεις – ή μάλλον, τρεις που οι ανθρώπινες αισθήσεις μας μπορούν να αντιληφθούν ενεργά. Μερικές θεωρίες υποδεικνύουν ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν πολλές ακόμα διαστάσεις που δεν γνωρίζουμε, κυρίως επειδή είναι ανεπαίσθητα μικροσκοπικές. Τώρα, Ιάπωνες ερευνητές έκαναν αναζήτηση για επιπλέον διαστάσεις κάτω από τη νανοκλίμακα, χρησιμοποιώντας μια δέσμη νετρονίων για να μελετήσουν την βαρυτική δύναμη με τη μεγαλύτερη ακρίβεια που έγινε ποτέ.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των σωματιδίων, ο κόσμος κυβερνάται από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ασθενή και την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Παρόλο που τα πράγματα είναι λίγο «τρομακτικά» κάτω από το κβαντικό επίπεδο, η επιστήμη έχει καταφέρει γενικά να περιγράψει όλες αυτές τις δυνάμεις τόσο σε μακροσκοπικές όσο και σε κβαντικές κλίμακες – εκτός από τη βαρύτητα. 

Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας του Νεύτωνα λέει ότι η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο αντικειμένων γίνεται ισχυρότερη, καθώς η μάζα τους μεγαλώνει και πιο ασθενής όσο πιο μακριά βρίσκονται αυτά τα αντικείμενα. Αλλά είναι πραγματικά έτσι μόνο μέχρι την κλίμακα υπο-χιλιοστού (submillimeter), η οποία είναι ακόμα για αυτό το νόμο «μακρο». Σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, σε μικρότερα επίπεδα ο νόμος μπορεί να καταρρεύσει. 

Η βαρύτητα είναι η ασθενέστερη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις και έχει προταθεί ότι αυτό συμβαίνει επειδή μερικά γκραβιτόνια – τα υποθετικά σωματίδια που μεταφέρουν τη βαρυτική δύναμη – τείνουν να διαφεύγουν στις υποθετικές πρόσθετες διαστάσεις. Ενώ δεν είμαστε σίγουροι ότι υπάρχουν περισσότερες από τις τρεις χωρικές διαστάσεις που συνηθίζαμε, η θεωρία M (ένας από τους σημερινούς κορυφαίους υποψήφιους για μια θεωρία των πάντων ) λαμβάνει χώρα σε 11 διαστάσεις . 

Αν είναι δύσκολο να καταλάβουμε πού κρύβονται αυτές οι άλλες διαστάσεις, ο καθηγητής Matt Strassler χρησιμοποιεί την εξαιρετική αναλογία των αγγείων σε ένα κανάλι. Ένα υποβρύχιο θα μπορούσε να κινηθεί μέσα από το κανάλι σε τρεις διαστάσεις, αλλά μια μικρή βάρκα στην επιφάνεια περιορίζεται σε δύο – δεν μπορεί να κινηθεί πάνω-κάτω. Εν τω μεταξύ ένα μεγάλο πλοίο θα βιώσει το κανάλι ως μονοδιάστατο, αφού μπορεί μόνο να κινηθεί προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Σε αυτή την αναλογία, εμείς οι άνθρωποι είμαστε αυτό το πλοίο – είμαστε απλά πάρα πολύ μεγάλοι για να ταξιδέψουμε ή να παρατηρήσουμε αυτές τις άλλες διαστάσεις. 

Έτσι, για να μελετήσουν εάν αυτές οι επιπλέον διαστάσεις κρύβονται σε εξαιρετικά μικροσκοπικούς χώρους, οι ερευνητές από τα πανεπιστήμια της Οζάκα, του Πανεπιστημίου Kyushu και της Nagoya έθεσαν ως στόχο τη δοκιμή της βαρύτητας στην κλίμακα των νανο-μέτρων. Για να την εκτελέσουν, χρησιμοποίησαν μια δέσμη νετρονίων με την υψηλότερη ένταση στον κόσμο, η οποία στεγάζεται στο ερευνητικό συγκρότημα Ιαπωνικών Πρωτοποριακών Επιταχυντών (J-PARC). 

Τα πειράματα αφορούσαν τη φωτογράφηση των παλμών των νετρονίων σε ένα θάλαμο γεμάτο με αέριο ξένον ή ήλιο και την παρατήρηση του χρόνου που χρειάζονταν τα νετρόνια για να κινηθούν μέσα στο θάλαμο, καθώς και των γωνιών σκέδασης τους. Επειδή τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο, δεν επηρεάζονται από το ηλεκτρομαγνητικό υπόβαθρο που μπορεί να παρεμβαίνει σε παρόμοια πειράματα. 

Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα αποτελέσματα αντιστοιχούσαν σε προβλέψεις με βάση τους γνωστούς νόμους της φυσικής, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο νόμος του Νεύτωνα εξακολουθεί να ισχύει όπως αναμενόταν σε μια κλίμακα μικρότερη από 0,1 νανόμετρα. Δεν υπάρχει ανεξήγητη δύναμη – δηλαδή, άλλη διάσταση – που να ενεργεί σε αυτά τα σωματίδια σε αυτή την κλίμακα. 

Αυτό δεν σημαίνει ότι αυτές οι επιπλέον διαστάσεις δεν είναι εκεί, απλά ότι μπορεί να κρύβονται ακόμη και σε ακόμα μικρότερες κλίμακες. Οι ερευνητές εργάζονται επί του παρόντος για να βελτιώσουν περαιτέρω την ευαισθησία του εξοπλισμού, κάτι που μπορεί να τους βοηθήσει να δοκιμάσουν αυτούς τους μικροσκοπικούς χώρους. 

«Καθώς θα βελτιώνονται οι επιδόσεις των ισχυρότερων δεσμών σωματιδίων στον κόσμο, θα είμαστε σε θέση να ενισχύσουμε σημαντικά τη γνώση και την κατανόησή μας βήμα βήμα,» λέει ο Tamaki Yoshioka, συγγραφέας της μελέτης. «Τέτοιες επαναληπτικές βελτιώσεις μπορούν να είναι πολύ αποκαλυπτικές. Στην περίπτωση των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων έχουμε κάνει σημαντικά βήματα προς την κατανόηση των διαστάσεων του χώρου γύρω μας.» 

Ελπίζεται ότι η μελέτη, μαζί με τις μελλοντικές εργασίες για τη βελτίωση της ευαισθησίας ακόμη περισσότερο, θα βοηθήσει να διαφωτιστεί εάν ο χώρος στον οποίο ζούμε περιορίζεται σε τρεις διαστάσεις. 

Η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review D. 

Πηγή: Πανεπιστήμιο της Οσάκα