Η κλίμακα του Plank και η θεωρία υπερχορδών... Ένα πείραμα θα δημιουργήσει ένα νέο σύμπαν;

Μπορούμε να κάνουμε πειράματα στη πέμπτη διάσταση;

ΠΗΓΗ:http://www.physics4u.gr/articles/plankscale.html

Οπως γνωρίζουμε η θεωρία υπερχορδών (δείτε και το σχετικό άρθρο) αξιολογείται πως θα γίνει σύντομα μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, αλλά η θεωρία αυτή  προβλέπει ότι το μέσο μέγεθος μιας χορδής πρέπει να είναι κάπου κοντά στην κλίμακα της κβαντικής βαρύτητας, δηλαδή ίσο με 10^-33 cm. Το μήκος αυτό καλείται μήκος του Plank. Αλλά πως θα φτάξουμε ένα μεγάλο πείραμα  για να δούμε τις χορδές της θεωρίας αυτής και να ελεγχθεί έτσι η θεωρία; Γιατί το πρόβλημα είναι, πως οι διαστάσεις αυτές (του Plank) είναι πάρα πάρα πολύ μικρές.

Και σαν να μην έφτανε αυτό, υπάρχει και μιά άλλη δυσκολία που αντιμετωπίζουμε. Οι σημερινοί επιταχυντές σωματιδίων μπορούν  να ελέγξουν κλίμακες μηκών λίγο μικρότερες από το μέγεθος ενός πρωτονίου ή ενός νετρονίου.
Οι επιταχυντές αυτοί δουλεύουν χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία για να εκτοξεύσουν φορτισμένα σωματίδια, τα μεν εναντίον των άλλων, σε πολύ υψηλές ενέργειες. Όσο υψηλώτερη ενέργεια τα σωματίδια έχουν τόσο μικρότερη  κλίμακα μήκους θα ελέγξουμε στη σύγκρουση. Η σύγκρουση ακολουθείται από ένα τεράστιο καταιγισμό ακτινοβολίας.
Οι ανιχνευτές τότε συλλαμβάνουν όλα εκείνα τα σωματίδια που είναι στο μέγεθος των δομικών υλικών. Στα πειράματα αυτά σπουδαίο ρόλο παίζουν οι υπολογιστές που χρησιμοποιούνται  για να γράφουν και να αναλύουν τα δεδομένα του πειράματος.

Παρόλο τις τελευταίες εξελίξεις, μπορούμε να δοκιμάσουμε μόνο κλίμακες της τάξης 10^-16 cm. Είναι ασύλληπτο στη τρέχουσα τεχνολογία ή στο προσεχές μέλλον να πετύχουμε να παράγουμε ενέργειες τέτοιες για να ελέγξουμε την κλίμακα του Plank στα 10^-33 cm.

Ένα πείραμα θα δημιουργήσει ένα νέο σύμπαν;

Όμως και ένα άλλο πρόβλημα που έχει να κάνει με τη κλίμακα Planck, είναι πως η ενέργεια σε αυτή τη κλίμακα  είναι της τάξης των 10¹⁹ GeV . H ενέργεια αυτή πιστεύουν οι φυσικοί πως υπήρχε στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου του Big Bang. Δεν νομίζουμε όμως ότι στο εργαστήριο θα φτάσουμε να έχουμε τέτοια ενέργεια ώστε να δημιουργηθεί ένα νέο Σύμπαν!
Πάντως, αυτό ισχύει για σήμερα. Η ανθρώπινη τεχνολογία όμως δεν γνωρίζουμε τι είναι ικανή ακόμη να φτιάξει για να ξεπεραστούν οι δυσκολίες.

Η πέμπτη διάσταση

Σε αυτές τις απίστευτα μικρές κλίμακες διαστάσεων μπαίνει επιτακτικά η ύπαρξη μιας πέμπτης διάστασης. Ενα αυξανόμενο  πλήθος φυσικών πιστεύει πως οι τέσσερις διαστάσεις του χωρόχρονου, είναι η κορυφή του παγόβουνου. Πιστεύουν πως γρήγορα θα αντιληφθούμε την πέμπτη διάσταση μετά την λειτουργία του νέου Μεγάλου Συγκρουστή Αδρονίων (LHC) στο CERN το 2005. Η λειτουργία του θα αποτελέσει ένα γιγαντιαίο βήμα στη θεωρία της μεγάλης ενοποίησης. 

Η ιδέα της 5ης διάστασης ξεκίνησε από τους Kaluza-Klein, κατά τους οποίους η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μπορεί να θεωρηθεί σαν η πέμπτη διάσταση του χωρόχρονου. Για να εξηγήσουν γιατί δεν βλέπουμε με τις σημερινές ενέργειες την πέμπτη διάσταση οι Κ-Κ υπέθεσαν πως τυλίγεται για να γίνει μικρότερη και από την διάσταση του Plank.
Στην θεωρία των Κ-Κ κάθε σημείο του τρισδιάστατου χώρου, είναι πράγματι ένας βρόχος μέσα σε αυτή τη 5η διάσταση. Για παράδειγμα ένα φορτισμένο σωματίδιο ακόμη και εάν βρίσκεται σε ηρεμία στις κανονικές διαστάσεις, αυτό ταξιδεύει ασταμάτητα γύρω από τον βρόχο. Και ότι αποκαλούμε ηλεκτρικό φορτίο είναι στην πραγματικότητα κίνηση στην κρυμμένη 5η διάσταση!

Και κατά τη γνώμη μάλιστα των φυσικών υπάρχει ένα πλήθος ικανοποιητικών συνδέσεων μεταξύ αυτής της κίνησης στην 5η διάσταση και του κλασσικού ηλεκτρομαγνητισμού: Για παράδειγμα, αν εφαρμόσουμε τους νόμους του Νεύτωνα πως για κάθε δράση κατά μήκος της τυλιγμένης διάστασης υπάρχει μιά αντίδραση, τότε θα πάρουμε την αρχή της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου!
Αλλο παράδειγμα είναι οι ιδιότητες άρωμα και χρώμα των γνωστών μας quarks, που γίνονται κυκλοειδείς χορευτές στούς βρόγχους αυτών των πρόσθετων διαστάσεων.

Αλλά σήμερα υπάρχει ένα φως στις δυσκολίες που αντιμετωπίζουμε με τις κρυμμένες διαστάσεις. Μέχρι σήμερα πιστεύαμε πως οι πρόσθετες διαστάσεις πρέπει να είναι πολύ μικρές, αλλά μιά διαφορετική ιδέα δημιουργήθηκε τα τελευταία χρόνια στο CERN, όπως  λέει σχετικά ο Keith Dienes ένας ερευνητής του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου. Η ιδέα είναι πως οι πρόσθετες διαστάσεις του χωρόχρονου δεν χρειάζονται να είναι τυλιγμένες σε διαστάσεις μικρότερες από την κλίμακα του Plank.
Και την άποψη αυτή την ξεκίνησε ένας Έλληνας ερευνητής στην Ecole Polytechnique στο Παρίσι, ο Ιγνάτιος Αντωνιάδης. Καθώς προσπαθούσε το 1990 να λύσει δύσκολα προβλήματα της θεωρίας της υπερχορδής, αντιλήφθηκε πως θα μπορούσαν αυτά να λυθούν αν δεχθούμε πως οι extra διαστάσεις είχαν μέγεθος μεγαλύτερο της κλίμακας του Plank.

Νέα δυσκολία

Τότε όμως αντιμετώπισε μιά νέα δυσκολία. Οι πιό πολλές διαστάσεις αυτομάτως φέρνουν νέα σωματίδια στο προσκήνιο, που έτσι φέρνουν προβληματικά φαινόμενα.
Τα νέα σωματίδια εισέρχονται στη θεωρία γιατί όλα τα στοιχειώδη σωματίδια μπορούν επίσης να συμπεριφέρονται σαν κύματα. Είναι δύσκολο να απεικονιστεί, αλλά όταν ένα στοιχειώδες σωματίδιο ταξιδεύει σε υψηλώτερες διαστάσεις, η κυματική του σύσταση αναπηδάει γύρω από την υψηλώτερη διεύθυνση και παράγει μιά σειρά από 'απόηχους'. Αυτοί οι 'απόηχοι' καλούνται στην θεωρία των Κ-Κ καταστάσεις, που θα μας εμφανιστούν σαν νέα σωματίδια. Για παράδειγμα το μποζόνιο Ζ, ένας από τους φορείς της ασθενούς δύναμης, θα έχει ολόκληρη σειρά από ξαδέλφια μεγαλύτερης μάζας που θα εμφανιστούν ξαφνικά σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας.

Το πρόβλημα του ο Ιγνάτιος Αντωνιάδης το αντιμετώπισε επιχειρώντας να φτιάξει μια Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία  (GUT). Ομως  οποιαδήποτε τέτοια θεωρία πρέπει να εξηγήσει πως η ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και ασθενής δύναμη χωρίστηκαν από τη μία και μοναδική δύναμη καθώς ψυχόταν το νεαρό Σύμπαν, και πως θα ξαναενωθούν στις υψηλές ενέργειες. Σύμφωνα με τη θεωρία η ασθενής και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη γίνονται πιό ισχυρές και η ισχυρή ασθενέστερη καθώς αυξάνονται οι ενέργειες.
Αυτές ενοποιούνται σε μια μοναδική δύναμη περίπου στα 10¹⁶ GeV. Ατυχώς όμως, η εμφάνιση της λεγεώνας της νέας δύναμης- μεταφερώντας σωματίδια από την 5η διάσταση κάνουν την ισχυρή και την ηλεκτρασθενή  δύναμη ακόμη ισχυρώτερη από ότι αναμενόταν. Και πολλοί φυσικοί, συμπεριλαμβανομένου και του Αντωνιάδη, εκτίμησαν πως αυτές γίνονται πολύ ισχυρές για να χειρίζονται με συμβατικές μαθηματικές μεθόδους.   

Αν λοιπόν οι δυνάμεις γίνονται πολύ ισχυρές, σκέφθηκε ο Ιγνάτιος Αντωνιάδης, να διατηρήσει την ενοποίηση στα 10¹⁶ GeV, ακυρώνοντας έτσι τα φαινόμενα του απόηχου της θεωρίας των Κ-Κ.
Ενας άλλος επιστήμονας του CERN ο Dienes δέχεται πως η ενοποίηση μπορεί να συμβεί και κάτω από 1016 GeV, και πως εάν οι extra διαστάσεις τυλίγονται έως μόνο τα 10^-19 m, που διαφέρουν ελάχιστα από τα σημερινά επίπεδα των πειραμάτων μας 10^-16 cm. Αρα μπορούμε να πάρουμε ενοποίηση και κάτω από 1000GeV!

Οι επιστήμονες όμως αμφισβητούν τα μεγέθη αυτά των χαμηλών ενεργειών για την ενοποίηση και οι αιτίες είναι πολλές.
Η πρώτη αιτία είναι η διάσπαση του πρωτονίου, γιατί αν η GUT προβλέπει τέτοιες διασπάσεις δεν τις έχουμε δεί ακόμη. Αν λοιπόν η κλίμακα της GUT είναι 1016GeV τότε έπρεπε να είχαμε δεί τέτοιες διασπάσεις.
Και τότε έρχεται ο Dienes να δεχθεί πως η 5η διάσταση έρχεται σαν από μηχανής θεός, για τη διάσπαση του πρωτονίου.

Φέρνοντας την κλίμακα της Μεγάλης Ενοποίησης κάτω από τα 1016 GeV και με μιά 5η διάσταση να τυλίγεται κάτω από τα 10^-19 m είναι ένα τεράστιο βήμα. Κάποιοι όμως φυσικοί μεταξύ των οποίων ο Nima Arkani-Hamed και ο Σάββας Δημόπουλος του Πανεπιστημίου Stanford,  υποστηρίζoυν πως μια 5η διάσταση θα μπορούσε να υπάρξει σε μέγεθος του 1mm!

Οι θεωρίες όμως αυτές των extra διαστάσεων πιστεύουμε πως θα αποσαφηνιστούν καλύτερα με τις θεωρίες των υπερχορδών και μετά τη λειτουργία του LHC του CERN.

Οι θεμελιώδεις ενεργειακές κλίμακες της Φυσικής

Τρεις από τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης συγκλίνουν όταν τα σωματίδια αποκτούν ενέργεια ίση με 1016 GeV. Μέχρι σήμερα οι φυσικοί δεν πίστευαν πως η βαρύτητα θα ενώνονταν με τις άλλες στην ενέργεια αυτή. Πρόσφατες θεωρίες όμως στα πλαίσια της θεωρίας Μ, δείχνουν πως οι τέσσερις δυνάμεις να μπορούν να συγκλίνουν στη παραπάνω ενέργεια.

Είδος	Ενέργεια (GeV)	Μήκος που αντιστοιχεί (m)	Σημασία
Ηλεκτρασθενής	100	10-18	Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη συγχωνεύεται με την ασθενή πυρηνική για να δημιουργήσουν την ηλεκτρασθενή.
Μεγάλη ενοποίηση (GUT)	1016	10-32	Η ηλεκτρασθενής μαζί με την ισχυρή πυρηνική δύναμη ενώνονται στην δύναμη της θεωρίας της μεγάλης ενοποίησης (GUT), που μεταφέρεται από ένα φωτόνιο, τρία διανυσματικά μποζόνια, οκτώ γκλουόνια και πλήθος άλλων σωματιδίων.
Χορδή	1018	10-34	Χαρακτηριστική ενέργεια των χορδών. Σύμφωνα με την θεωρία χορδής, είναι το σημείο που η GUT δύναμη συγχωνεύεται με τη βαρύτητα σε μία 'υπερδύναμη'
Planck	1019	10-35	Η κλίμακα στην οποία η βαρύτητα θα γίνεται συγκρίσιμη σε ισχύ προς τις άλλες δυνάμεις εάν δεν έχουν ήδη συγχωνευτεί στην κλίμακα της χορδής