Επιστημονικά Βιβλία Εκδόσεις Κάτοπτρο

Αντι-βαρύτητα: η σκοτεινή ενέργεια του κόσμου

Από σελίδα Physical Review 16-Νοεμβρίου-2000

Η εικόνα που παρατηρούμε απεικονίζει τις τροχιές των σωματιδίων απο μια σύγκρουση πρωτονίου-αντιπρωτονίου.

Οι κοσμολόγοι διερωτώνται γιατί συμβαίνει να ζούμε σε μια ενδιαφέρουσα εποχή της ιστορίας του Σύμπαντος, στην οποία τα τρία μεγαλύτερα στοιχεία του Σύμπαντος (η ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας, η σκοτεινή ύλη, και η σκοτεινή ενέργεια) υπάρχουν σε όμοιες ποσότητες ~_M~_R.
Αυτή η τριπλή σύμπτωση είναι αινιγματώδης, ενώ η ερώτηση του γιατί εμείς συμβαίνει να ζούμε κατά τη διάρκεια αυτής της σύμπτωσης είναι το γνωστό πρόβλημα "γιατί τώρα;"
Μια εξήγηση γι' αυτή τη σύμπτωση εμπλέκει την ενέργεια που χαρακτηρίζει την ηλεκροασθενή δύναμη M_EW, με τηνμάζα της κλίμακας του Plank M_Pl και απαιτεί ~M/M_Pl .
Υποθέτοντας πως η ενέργεια του αληθινού κενού εξαφανίζεται,, παρουσιάζεται ένα απλό μοντέλο, στο οποίο μια ψευδο-ενέργεια του κενού παράγει μια κοσμολογική σταθερά αυτού του τύπου.

Σύμφωνα με τις τελευταίες μαρτυρίες, μια μυστηριώδης "αντιβαρυτική" δύναμη --που καλείται επίσης και σκοτεινή ενέργεια-- εμφανίζεται να είναι το βασικό συστατικό του κόσμου μας. Η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας  θεωρείται πως παραμένει σταθερή στον χρόνο, ενώ αντιθέτως η ύλη συνεχίζει να "αραιώνει" όσο το Σύμπαν διαστέλλεται.
Αυτό δημιουργεί την εξής ερώτηση: Γιατί συμβαίνει να ζούμε σε "ενδιαφέροντες χρόνους" στους οποίους η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας και αυτή της ύλης συμβαίνει να είναι 'ισες, όταν το ένα είδος δεν επικαλύπτεται από το άλλο;
Αυτό είναι το αίνιγμα μιας ομάδας θεωρητικών φυσικών οι οποίοι επιχειρούν, στο τεύχος Physical Review Letters της 14ης Νοεμβρίου 2000, να εξηγήσουν πως έχουν βρεί μια απλή δικαιολογία γι' αυτό το φαινόμενο, μια εξήγηση που εμπλέκει μόνο τις πιό βασικές από τις παραμέτρους της φυσικής των υψηλών ενεργειών.

Η ομάδα, που καθοδηγείται από τον Nima Arkani-Hamed του Πανεπιστημίου της California στο Berkeley, εστιάζεται σε δύο κλίμακες ενεργειών: την επονομαζόμενη μάζα Plank M_Pl ~ 10¹⁸ GeV , στην οποία κλίμακα τα φαινόμενα της κβαντικής βαρύτητας γίνονται σπουδαία, και η ηλεκτρασθενής μάζα M_EW ~ 10³ GeV, χαρακτηριστική της ενέργειας στην οποία η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής αλληλεπίδραση γίνονται ενιαίες.
Αυτοί ξεκινούν σημειώνοντας πως αυτές οι δύο κλίμακες μαζών μπορούν να συνδυαστούν για να παράγουν μια πρόχειρη ασφαλή τιμή για την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης:  (M_EW²/M_Pl)⁴. (Η πυκνότητα ενέργειας έχει μονάδες των GeV⁴ στο σύστημα αυτό.)  Χρησιμοποιώντας υπερσυμμετρίες και άλλες ιδέες της σωματιδιακής φυσικής, αυτοί ρίχνουν κάποιες ιδέες για το πως αυτές οι δύο βασικές παράμετροι μπορούν εύκολα να συσχετισθούν με την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας.

Τότε δουλεύοντας το θέμα αυτό, βρήκαν μια άλλη φαινομενική σύμπτωση: την ομοιότητα μεταξύ της πυκνότητας της ύλης του σύμπαντος και μιας τρίτης σπουδαίας κοσμολογικής παραμέτρου, της ενεργειακής πυκνότητας της θερμικής ακτινοβολίας. Η περισσότερη ποσότητα της ύλης στο Σύμπαν θεωρείται πως είναι σε μορφή σκοτεινής ύλης, αλλά   παρά τη μυστηριώδη φύση της, οι κοσμολόγοι νομίζουν πως αυτοί κατανοούν σε γενικές γραμμές με ποιό τρόπο η πυκνότητα της συνολικής ύλης αναπτύσσεται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται.
Χρησιμοποιώντας τον νόμο του Stefan-Boltzmann, που όμως μετράει εκατό χρόνια, και ο οποίος συσχετίζει τη θερμοκρασία προς το αντίστοιχο ποσό της ακτινοβολίας, ο Arkani-Hamed και οι συνεργάτες του υπολόγισαν τη θερμοκρασία του Σύμπαντος στην οποία τα ποσά της ύλης και της ακτινοβολίας θα συνέπιπταν. Ο  Arkani-Hamed εξήγησε πως το αποτέλεσμα είναι περίπου M_EW²/M_Pl, η οποία αντιστοιχεί σε μια θερμοκρασία των 10 K, κοντά στην τρέχουσα θερμοκρασία του Σύμπαντος.

Σύμφωνα όμως με το νόμο των Stefan-Boltzmann σε αυτή τη θερμοκρασία η ύλη και η πυκνότητα της ακτινοβολουμένης ενέργειας είναι (M_EW²/M_Pl)⁴ --ακριβώς ο τύπος που η ομάδα βρήκε, που δίνει κατά προσέγγιση τη σωστή τιμή για την πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας. Με άλλα λόγια, εμείς τώρα θα πρέπει να ζούμε σε μια εποχή που η ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας, η σκοτεινή ύλη, και η σκοτεινή ενέργεια θα ταυτίζονται όλες μαζί, όπως υποδηλώνουν οι παρατηρήσεις.

Το αποτέλεσμα είναι μια έντονη επίθεση σε ένα βαθύ μυστήριο, λέγει ο Joe Lykken, του Fermi National Accelerator Laboratory κοντά στο Chicago: "Αυτή η φαινομένη τριπλή ταύτιση είναι βεβαιότατα ένα σπουδαίο puzzle στην μοντέρνα κοσμολογία, και εάν η σχέση M_EW²/M_Pl είναι αληθινή, τότε αυτή πράγματι εξηγεί αυτή τη ταύτιση με ένα βαθύ τρόπο." και ο Lykken προσθέτει, πάντως, πως οι προσεγγιστικοί υπολογισμοί του Arkani-Hamed και των συναδέλφων του βασίζονται σε μοντέλα παιχνιδιών. "Ο μόνος τρόπος να δοκιμάσουμε την εικασία τους είναι να ανακαλύψουμε και να επαληθεύσουμε κάποιο μεγάλο, νέο, πέρα της θεωρίας του Καθιερωμένου Προτύπου που θα έχει τις επιθυμούμενες ιδιότητες. " Ο Arkani-Hamed συμφωνεί, αλλά προσθέτει, "Αυτές οι ταυτίσεις είναι αινιγματικές, και είναι καιρός να πάρουμε αυτές σοβαρά -- μπορεί αυτές να μας δώσουν μια ώθηση προς την κατεύθυνση μιας άλλης θεωρίας.