Θεωρία χορδών.

Αλληλεπίδραση στον υποατομικό κόσμο: οι κοσμικές γραμμές των σημειακών σωματιδίων στο Καθιερωμένο Μοντέλο και τα κοσμικά σεντόνια που δημιουργούνται από τις κλειστές χορδές στη Θεωρία Χορδών.


Οι Θεωρίες Χορδών είναι μοντέλα της φυσικής στα οποία τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία είναι μονοδιάστατα εκτεταμένα αντικείμενα (Χορδές), σε αντίθεση με την παραδοσιακή έννοια των σημειακών και αδιάστατων στοιχειωδών σωματιδίων. Οι θεωρίες χορδών αποφεύγουν με αυτό τον τρόπο τα προβλήματα και τις ανωμαλίες που προκύπτουν στις φυσικές θεωρίες λόγω της σημειακής φύσης των σωματιδίων. Στη μελέτη των θεωριών χορδών περιλαμβάνονται όχι μόνο μονοδιάστατα αντικείμενα, αλλά και αντικείμενα περισσότερων διαστάσεων, που καλούνται βράνες. Πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι μέχρι σήμερα δεν έχει υπάρξει πειραματική επαλήθευση της θεωρίας χορδών.





Γενική περιγραφή

Η έρευνα γύρω από τη θεωρία χορδών αποσκοπεί στην εξαγωγή μιας θεωρίας των πάντων. Είναι προς το παρόν η μόνη αξιόπιστη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, η οποία μπορεί εξίσου καλά να περιγράψει και τις ηλεκτρομαγνητικές και τις άλλες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Στη θεωρία υπερχορδών περιλαμβάνονται και τα φερμιόνια, οι θεμελιώδεις δομικοί λίθοι της ύλης. Δεν είναι, πάντως, ακόμη γνωστό αν η θεωρία υπερχορδών είναι η ακριβής θεωρία του σύμπαντος, ούτε τα περιθώρια των τιμών των φυσικών σταθερών που προβλέπει.

Το γεγονός ότι ο κόσμος είναι 4-διάστατος έρχεται εκ πρώτης όψεος σε αντίθεση με τις 10 ή 11 διαστάσεις της θεωρίας. Οι πιθανές απαντήσεις σ'αυτό το παράδοξο είναι δύο: Μία πιθανή απάντηση είναι ότι οι υπόλοιπες 6 ή 7 διαστάσεις είναι τόσο μικρές ώστε δεν είναι δυνατό να παρατηρηθούν. Στην 6-διάστατη περίπτωση αναφέρονται οι υπερχώροι Calabi-Yau. Στις 7 διαστάσεις αναφέρονται οι χώροι πολλαπλότητας G2. Η δεύτερη πιθανή απάντηση λύση είναι ότι είμαστε δεσμευμένοι σε μία υπερ-μεμβράνη του πλήρους σύμπαντος τεσσάρων χωροχρονικών διαστάσεων. Η λύση αυτή είναι γνωστή ως brane-world theory. [1][2] Αξίζει να σημειωθεί ότι ορισμένες εκδοχές αυτής της θεωρίας οδηγούν σε προβλέψεις που θα μπορέσουν να ελεγχθούν απο πειραματικές μετρήσεις κβαντικής βαρύτητας που θα γίνουν στον επιταχυντή LHC του διεθνούς ερευνητικού κέντρου CERN της Γενεύης, ο οποίος έχει ήδη αρχίσει τη λειτουργία του.





Θεωρίες και δυϊσμοί

Υπάρχουν 2 κύριες θεωρίες χορδών, η μποζονική θεωρία χορδών σε 26 διαστάσεις και η Υπερσυμμετρική Θεωρία Χορδών σε 10 διαστάσεις. Σήμερα, ο όρος θεωρία χορδών αναφέρεται στην Υπερσυμμετρική θεωρία χορδών ή Θεωρία Υπερχορδών. Μια σημαντική ερευνητική ανακάλυψη που έγινε στη δεκαετία του 1990 ήταν το ότι οι διάφορες θεωρίες υπερχορδών μπορούν να προκύψουν σαν οριακές περιπτώσεις από μια σχετικά άγνωστη 11-διάστατη θεωρία που ονομάστηκε Θεωρία-Μ (M-Theory).[3]



Θεωρίες Χορδών

Τύπος Χωροχρονικές διαστάσεις Λεπτομέρειες

Μποζονική 26 Μόνο μποζόνια, όχι φερμιόνια, όχι ύλη, με ανοικτές και κλειστές χορδές. Βασικό μειονέκτημα: ένα σωματίδιο με φανταστική μάζα, που ονομάζεται ταχυόνιο.



I 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, η ομάδα συμμετρίας είναι η SO(32).



IIA 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, άμαζα φερμιόνια με διπλή ελικότητα (nonchiral).



IIB 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, άμαζα φερμιόνια με μονή ελικότητα (chiral).



HO 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, ετεροτική, που σημαίνει ότι οι χορδές που κινούνται δεξιόστροφα διαφέρουν με αυτές που κινούνται αριστερόστροφα, η ομάδα συμμετρίας είναι η SO(32).



HE 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, ετεροτική, που σημαίνει ότι οι χορδές που κινούνται δεξιόστροφα διαφέρουν με αυτές που κινούνται αριστερόστροφα, η ομάδα συμμετρίας είναι η E8×E8.



Πριν τη δεκαετία του '90, οι πέντε διαφορετικοί τύποι θεωριών χορδών έμοιαζαν ασύνδετες μεταξύ τους. Στο ετήσιο συνέδριο των φυσικών πάνω στη θεωρία χορδών που πραγματοποιήθηκε το 1995, ο Έντουαρντ Βίτεν πρότεινε πως οι διαφορετικοί αυτοί τύποι μπορούν ίσως να προκύψουν ως οριακές περιπτώσεις μιας άγνωστης ακόμη 11-διάστατης θεωρίας που ονομάστηκε θεωρία-Μ.

Ανακαλύφθηκαν επίσης κάποιες σχέσεις που ονομάζονται δυϊσμοί (dualities), και οι οποίες δείχνουν ότι οι 5 διαφορετικές θεωρίες χορδών συνδέονται άμεσα μεταξύ τους, σε χαμηλά ή υψηλά όρια διαφόρων σταθερών, δίνοντας έτσι τα ίδια ακριβώς αποτελέσματα. Οι δυϊσμοί αυτοί είναι ο S-δυϊσμός, ο Τ-δυϊσμός και ο U-δυϊσμός.





Προβλήματα της θεωρίας χορδών

Η θεωρία χορδών δεν έχει μέχρι στιγμής επιτύχει να κάνει ποσοτικές προβλέψεις που θα μπορούσαν να επαληθευθούν πειραματικά. Επικριτές της θεωρίας υποστηρίζουν μάλιστα ότι η θεωρία δεν είναι δυνατό ούτε να επαληθευτεί ούτε να απορριφθεί. Οι υποστηρικτές της αντιλέγουν ότι η θεωρία χορδών έχει ήδη κάνει πληθώρα νέων προβλέψεων: α) Έξτρα διαστάσεις. Η πρόβλεψη αυτή αποτελεί αντικείμενο πολλών εξελισσόμενων πειραμάτων παγκοσμίως. β) Νέα σωματίδια με μάζες συγκρίσιμες της μάζας του Planck. γ) Υπερσυμμετρία-υπερβαρύτητα. Η ύπαρξη ή όχι υπερσυμμετρικών σωματιδίων θα αποτελέσει το αντικείμενο σειράς πειραμάτων που αναμένεται να αρχίσουν σύντομα στον επιταχυντή LHC του CERN.

Η διατύπωση της θεωρίας υπερχορδών έχει γίνει με βάση σειράς διαταραχών, και όχι ως ακριβώς διατυπωμένη θεωρία. Παρόλο που υπάρχει αρκετή πρόοδος προς μια μη-διαταρακτική διατύπωση, και υποθέσεις για πλήρεις ορισμούς στο χωροχρόνο που ικανοποιούν ορισμένες ασύμπτωτες, δεν έχει διατυπωθεί ακόμη μια πλήρης μη-διαταρακτική θεωρία υπερχορδών.





] Επιτυχίες της θεωρίας υπερχορδών

• Σημαντικότατες συνεισφορές σε διάφορους κλάδους των μαθηματικών.

o Συμμετρία κατόπτρου (mirror symmetry).

o Σημαντικές ανακαλύψεις στην Θεωρία κόμβων (knot theory).

o Μελέτη των χώρων Calabi-Yau.

o Πρόσφατες συνεισφορές στο πρόγραμμα Langlands. [4]

• Μικροσκοπική απόδειξη της εξίσωσης Bekenstein-Hawking για την εντροπία των μελανών οπών.[5]

• Σημαντική πρόοδο στην κατανόηση ορισμένων ισχυρά συζευγμένων θεωριών πεδίου, μέσω του δυϊσμού σύμμορφης θεωρίας πεδίου--βαρύτητας AdS.[6]

• Σημαντική πρόοδο στη μελέτη των υπερσυμμετρικών θεωριών βαθμίδας, στις οποίες περιλαμβάνονται και πιθανές επεκτάσεις του Τυποποιημένου Μοντέλου.





Θεωρία Μ-χορδών

Εισαγωγή-Το καθιερωμένο πρότυπο

Στο καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, τα σωματίδια θεωρούνται σημεία που κινούνται μέσα στο χώρο, που επισημαίνονται με μια γραμμή που αποκαλείται Κοσμική Γραμμή. Για να λάβει υπόψη τις διαφορετικές αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται στη Φύση κάποιος πρέπει να παράσχει στα σωματίδια περισσότερους βαθμούς ελευθερίας, όχι μόνο τη θέση και τη ταχύτητά τους, αλλά τη μάζα, το ηλεκτρικό φορτίο, το χρώμα (που είναι ιδιότητα που συνδέεται με την ισχυρή αλληλεπίδραση) ή το spin.

Το καθιερωμένο πρότυπο σχεδιάστηκε μέσα ένα πλαίσιο γνωστό ως Κβαντική Θεωρία Πεδίου (QFT), η οποία μας δίνει τα εργαλεία για να χτίσει τις θεωρίες σύμφωνες και με την Κβαντικούς Μηχανική και την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας. Με αυτά τα εργαλεία, χτίστηκαν θεωρίες που περιγράφουν με μεγάλη επιτυχία τις τρεις από τις τέσσερις γνωστές αλληλεπιδράσεις στην Φύση: Ο ηλεκτρομαγνητισμός, οι ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Επιπλέον, επιτεύχθηκε μια πολύ επιτυχής ενοποίηση μεταξύ του ηλεκτρομαγνητισμού και της ασθενούς δύναμης (θεωρία Electroweak), και υπάρχουν υποσχέσεις για ιδέες που θα συμπεριλάβουν την ισχυρή δύναμη. Αλλά δυστυχώς η τέταρτη αλληλεπίδραση, η βαρύτητα, που περιγράφεται υπέροχα από τη Γενική Σχετικότητα (GR) του Einstein, δεν φαίνεται να ταιριάζει σε αυτό το σχέδιο. Όποτε κάποιος προσπαθεί να εφαρμόσει τους κανόνες QFT σε GR παίρνει αποτελέσματα που δεν έχουν κανένα νόημα. Παραδείγματος χάριν, η δύναμη μεταξύ δύο γκραβιτονίων (τα σωματίδια που μεσολαβούν των αλληλεπιδράσεων της βαρύτητας), γίνεται άπειρη και δεν ξέρουμε πώς να ξεφορτωθούμε αυτό το άπειρο για να πάρουμε τα φυσικά λογικά αποτελέσματα.

Θεωρία χορδής

Στη θεωρία χορδής, η μυριάδα των σωματιδιακών τύπων αντικαθίσταται από μια ενιαία θεμελιώδη δομική μονάδα, τη 'χορδή". Αυτές οι χορδές μπορούν να είναι κλειστές, όπως οι βρόχοι, ή να είναι ανοικτοί, όπως μια τρίχα. Καθώς η χορδή κινείται μέσω του χρόνου σχεδιάζει έναν σωλήνα ή ένα φύλλο, σύμφωνα με το εάν είναι κλειστή ή ανοικτή. Επιπλέον, η χορδή είναι ελεύθερη να δονηθεί, και οι διαφορετικοί τρόποι δόνησης της χορδής αντιπροσωπεύουν τους διαφορετικούς τύπους των σωματιδίων, δεδομένου ότι οι διαφορετικοί τρόποι θεωρούνται ως διαφορετικές μάζες ή spins.

Ένας τρόπος δόνησης, ή "note", κάνει τη χορδή να εμφανιστεί ως ηλεκτρόνιο, ή αλλιώς ως φωτόνιο. Υπάρχει ακόμη και ένας τρόπος που περιγράφει το βαρυτόνιο, το σωματίδιο που μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας, το οποίο είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο η θεωρία χορδής έχει τραβήξει τόση πολλή προσοχή. Το αξιοσημείωτο είναι ότι μπορούμε να αισθανθούμε την αλληλεπίδραση δύο γκραβιτονίων στη θεωρία της χορδής με έναν τρόπο που δεν θα μπορούσαμε στην QFT. Δεν υπάρχουν απειρισμοί!

Και η βαρύτητα δεν είναι κάτι που την υπολογίζουμε ξεχωριστά. Υπάρχει θέση για αυτήν στην θεωρία των χορδών.

Έτσι, το πρώτο μεγάλο επίτευγμα της θεωρίας χορδής ήταν να δοθεί μια συνεπής θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, η οποία μοιάζει με την Γενική Σχετικότητα -GR- στις μακροσκοπικές αποστάσεις. Επιπλέον η θεωρία χορδής κατέχει επίσης τους αναγκαίους βαθμούς ελευθερίας για να περιγραφούν οι άλλες αλληλεπιδράσεις! Σε αυτό το σημείο μια μεγάλη ελπίδα που δημιουργήθηκε ήταν πως η Θεωρία της Χορδής θα ήταν σε θέση να ενοποιήσει όλες τις γνωστές δυνάμεις και τα σωματίδια μαζί σε μια ενιαία "Θεωρία των Πάντων".





Από τις χορδές στις υπερχορδές

Τα γνωστά σωματίδια στη Φύση είναι ταξινομημένα σύμφωνα με το spin τους σε μποζόνια-bosons (ακέραιο spin) ή σε φερμιόνια-fermions (περιττό spin). Τα πρώτα είναι αυτά που μεταφέρουν τις δυνάμεις, παραδείγματος χάριν, το φωτόνιο, το οποίο φέρει τη ηλεκτρομαγνητική δύναμη, το γκλουόνιο-gluon, που φέρει την ισχυρή πυρηνική δύναμη, και το γκραβιτόνιο-graviton, το οποίο φέρνει τη δύναμη της βαρύτητας. Τα τελευταία αποτελούν την ύλη που αποτελούμαστε, όπως το ηλεκτρόνιο ή το quark. Η αρχική θεωρία της χορδής περιέγραψε μόνο τα σωματίδια που ήταν μποζόνια-bosons, ως εκ τούτου ήταν μια θεωρία χορδής μποζονίων . Δεν περιέγραφε φερμιόνια. Έτσι τα quarks και τα ηλεκτρόνια, παραδείγματος χάριν, δεν περιλήφθηκαν στη θεωρία χορδής μποζονίων.

Με την εισαγωγή της υπερσυμμετρίας στη θεωρία χορδής μποζονίων, μπορούμε να λάβουμε μια νέα θεωρία που περιγράφει και τις δυνάμεις και την ύλη που αποτελούν τον κόσμο. Αυτή είναι η θεωρία των υπερχορδών . Υπάρχουν τρεις διαφορετικές θεωρίες υπερχορδών που έχουν νόημα, δηλ. δεν επιδεικνύουν καμία μαθηματική ασυνέπεια. Σε δύο από αυτές το θεμελιώδες αντικείμενο είναι μια κλειστή χορδή, ενώ στην τρίτη, οι ανοικτές χορδές είναι οι δομικές μονάδες. Επιπλέον, αναμιγνύοντας τα καλύτερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της χορδής μποζονίων, μπορούμε να δημιουργήσουμε δύο άλλες συνεπείς θεωρίες των σειρών, τις ετεροτικές-heterotic θεωρίες χορδής.

Εντούτοις, αυτή η αφθονία θεωριών των χορδών ήταν ένας γρίφος: Εάν ψάχνοντας για την Θεωρία των Πάντων, είχαμε τελικά πέντε από αυτές, αυτό είναι μια αμηχανία πλούτων! Ευτυχώς, η Μ-θεωρία ήρθε για να μας σώσει.

Πρόσθετες διαστάσεις...

Μια από τις πιό αξιοπρόσεκτες προβλέψεις της θεωρίας χορδής είναι ότι ο χωρόχρονος έχει δέκα διαστάσεις! Εκ πρώτης όψεως, αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως λόγος για να αποσυρθεί η θεωρία συνολικά, δεδομένου ότι προφανώς έχουμε μόνο τρεις διαστάσεις, του χώρου και μιας του χρόνου. Εντούτοις, εάν υποθέσουμε ότι έξι από αυτές τις διαστάσεις διπλώνουν πολύ σφικτά, κατόπιν τούτου, δεν μπορούμε ποτέ να γνωρίζουμε την ύπαρξή τους. Επιπλέον, η ύπαρξη αυτών των αποκαλούμενων συμπαγών διαστάσεων είναι πολύ ευεργετική εάν η θεωρία χορδής πρόκειται να περιγραφεί σαν μια θεωρία των πάντων. Η ιδέα είναι ότι οι βαθμοί ελευθερίας όπως το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου θα προκύψουν έπειτα απλά ως κίνηση στις πρόσθετες συμπαγείς κατευθύνσεις! Η ιδέα ότι οι συμπαγείς διαστάσεις μπορούν να οδηγήσουν στην ενοποίηση των θεωριών δεν είναι νέα, αλλά χρονολογείται από τη δεκαετία του '20, από τη θεωρία των Kaluza και Klein. Από μία άποψη, η θεωρία χορδής είναι η τελευταία θεωρία Kaluza-Klein.

Για την απλότητα, συνήθως υποτίθεται ότι οι πρόσθετες διαστάσεις είναι τυλιγμένες επάνω σε έξι κύκλους. Για ρεαλιστικά αποτελέσματα αυτές αντιμετωπίζονται όπως σαν να είναι τυλιγμένες επάνω σε μαθηματικές επεξεργασίες γνωστές ως Calabi-Yau Manifolds και Orbifolds.

Μ-θεωρία

Εκτός από το γεγονός ότι αντί μιας υπάρχουν πέντε διαφορετικές, υγιείς θεωρίες των χορδών (τρεις υπερχορδών και δύο ετεροτικές χορδές) υπήρξε μια άλλη δυσκολία στη μελέτη αυτών των θεωριών: δεν είχαμε κατάλληλα εργαλεία για να ερευνήσουμε τη θεωρία σε όλες τις πιθανές τιμές των παραμέτρων θεωρητικά. Κάθε θεωρία ήταν όπως ένας μεγάλος πλανήτης για τον οποίο ξέραμε μόνο ένα μικρό νησί κάπου πάνω στον πλανήτη.

Αλλά κατά τη διάρκεια των τελευταίων τεσσάρων ετών, αναπτύχθηκαν τεχνικές για να ερευνήσουν τις θεωρίες πιό λεπτομερώς, με άλλα λόγια, να ταξιδεψουν γύρω από τις θάλασσες σε κάθε έναν από εκείνους τους πλανήτες και να βρούν νέα νησιά. Και μόνο έπειτα από αυτό συνειδητοποιήθηκε ότι εκείνες οι πέντε θεωρίες χορδής είναι στην πραγματικότητα νησιά στον ίδιο πλανήτη, όχι διαφορετικού πλανήτη.

Κατά συνέπεια υπάρχει μια ελλοχεύουσα θεωρία της οποίας όλες οι θεωρίες χορδής είναι μόνο διαφορετικές πτυχές (όψεις). Αυτό κλήθηκε Μ-θεωρία. Το Μ μπορεί να αντιπροσωπεύει την Μητέρα όλων των θεωριών ή του Μυστηρίου, επειδή ο πλανήτης που εμείς καλούμε θεωρία-Μ είναι ακόμα κατά ένα μεγάλο μέρος ανεξερεύνητος.



Υπάρχει ακόμα μια τρίτη δυνατότητα για το Μ για την Θεωρία-Μ. Ένα από τα νησιά που βρέθηκε στον πλανήτη Θεωρίας-Μ αντιστοιχεί σε μια θεωρία που οι ζωές δεν είναι σε 10 αλλά σε 11 διαστάσεις. Αυτό φαίνεται να μας λέει ότι η Μ-θεωρία πρέπει να αντιμετωπισθεί ως μια θεωρία 11-διαστάσεων που φαίνεται σαν 10-διαστάσεων σε μερικά σημεία στο χώρο των παραμέτρων της. Μια τέτοια θεωρία θα μπορούσε να έχει ως θεμελιώδες αντικείμενο μια Μεμβράνη, σε αντιδιαστολή με μια χορδή. Ετσι οι μεμβράνες μοιάζουν με χορδές όταν τυλίγουμε την 11η διάσταση σε έναν μικρό κύκλο.

Μαύρες τρύπες της Θεωρίας-Μ

Οι μαύρες τρύπες έχουν μελετηθεί για πολλά έτη ως διαμορφώσεις του χωρόχρονου στην Γενική Σχετικότητα (GR), που αντιστοιχούν σε πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία. Αλλά δεδομένου ότι δεν μπορούμε να χτίσουμε μια συνεπή κβαντική θεωρία από την GR, διάφοροι γρίφοι αυξήθηκαν σχετικά με τη μικροσκοπική φυσική των μαύρων τρυπών.

Ένας από τους πιό σκοτεινούς γρίφους αφορούσε την εντροπία των μαύρων τρυπών. Στη θερμοδυναμική, η εντροπία είναι η ποσότητα που μετρά τον αριθμό των καταστάσεων ενός συστήματος που όμως φαίνονται ίδιες. Ένα πολύ ακατάστατο δωμάτιο έχει μια μεγάλη εντροπία, δεδομένου ότι κάποιος μπορεί να κινήσει κάτι στο πάτωμα από τη μια πλευρά του δωματίου προς την άλλη και κανένας δεν θα το παρατηρήσει λόγω της αταξίας - είναι ισοδύναμες καταστάσεις. Σε ένα πολύ καθαρό όμως δωμάτιο, εάν αλλάξετε κάτι, αυτό θα είναι αξιοπρόσεχτο, δεδομένου ότι όλα έχουν τη θέση τους. Έτσι συνδέουμε την εντροπία με την αναταραχή-αταξία. Οι Μαύρες Τρύπες έχουν μια τεράστια αταξία. Εντούτοις, κανένας δεν ήξερε πως οι καταστάσεις συνδέονται με την εντροπία της μαύρης τρύπας.

Τα τελευταία τέσσερα έτη έφεραν μεγάλο ενθουσιασμό σε αυτήν την περιοχή. Παρόμοιες τεχνικές με αυτές που χρησιμοποιούνται για να βρούν τα νησιά της Μ-θεωρίας, επέτρεψαν σε μας να εξηγήσουμε ακριβώς ποιές καταστάσεις αντιστοιχούν στην αταξία μερικών μαύρων τρυπών, και να εξηγήσουμε με τη χρησιμοποίηση της θεμελιώδους θεωρίας τις θερμοδυναμικές ιδιότητες που εξάγονταν προηγουμένως χρησιμοποιώντας όμως λιγότερα άμεσα ορίσματα.

Πολλά άλλα προβλήματα είναι ακόμα ανοικτά, αλλά η εφαρμογή της θεωρίας χορδής στη μελέτη των μαύρων τρυπών υπόσχεται να είναι ένα από τα πιό ενδιαφέροντα θέματα για τα επόμενα έτη.





Οι θεωρίες χορδής

Οι θεωρίες της υπερχορδής επιλύουν-αναλύουν το πιό αινιγματικό πρόβλημα της θεωρητικής φυσικής του εικοστού αιώνα: Τη μαθηματική ασυμφωνία των δύο θεμελιωδών πυλώνων της Φυσικής δηλαδή της κβαντικής μηχανικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας.

Για να το κάνουν αυτό, οι θεωρίες της χορδής τροποποιούν την άποψη που έχουμε για να κατανοούμε το χωρόχρονο και τη βαρυτική δύναμη.

Η ρίζα των θεωριών αυτών ανάγεται στα τέλη της δεκαετίας του 1960, και αναπτύχθηκε από τον Gabrielle Veneziano με σκοπό να κατανοηθεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που όμως απέτυχε. Αργότερα στα μέσα της δεκαετίας του 1970 οι John Schwarz και Joel Scherk ξεκίνησαν oι ιδέες να χρησιμοποιηθούν οι χορδές στη βαρύτητα και στην ενοποίηση των δυνάμεων.

Πως άρχισε η ιστορία με τις χορδές;

Η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου (συνδυασμός κβαντικής μηχανικής και γενικής θεωρίας της σχετικότητας) δουλεύει καλά στη παρατηρούμενες συμπεριφορές και ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων.

Αλλά αυτή η θεωρία αποδίδει μόνο όταν η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής που μπορεί να αγνοηθεί και από την άλλη η σωματιδιακή θεωρία δουλεύει μόνο όταν κάνουμε πως δεν υπάρχει η βαρύτητα.

Η Γενική Σχετικότητα έχει αποδώσει πλούσια στη κατανόηση του Σύμπαντος, τις τροχιές των πλανητών, τις εκρήξεις των αστέρων και γαλαξιών, το Big Bang και πρόσφατα τις μαύρες τρύπες και τους βαρυτικούς φακούς. Πάντως η θεωρία αυτή εργάζεται καλά όταν η κβαντική θεωρία δεν χρειάζεται στην περιγραφή της Φύσης.

Έτσι με τις αδυναμίες που παρουσιάζουν οι παραπάνω θεωρίες να επεξεργαστούν όλα τα θέματα που μπαίνουν στη Φυσική (τη βαρύτητα η κβαντική θεωρία και τα κβαντικά φαινόμενα του μικρόκοσμου η γενική θεωρία της σχετικότητας), έρχεται η θεωρία της χορδής που πιστεύεται ότι θα γεφυρώσει αυτό το χάσμα.

Πρωταρχικά, η θεωρία αυτή είχε σκοπό να εξηγήσει την παρατηρούμενη σχέση μεταξύ μάζας και spin για τα αδρόνια (νετρόνια, πρωτόνια κλπ). Σε αυτό απέτυχε αν και Κβαντική Χρωμοδυναμική είχε καλύτερη θεωρία για αυτά.

Αλλά τα σωματίδια στην θεωρία της χορδής εμφανίζονται σαν διεγέρσεις χορδής , και συμπεριλαμβάνουν στις διεγέρσεις αυτές της χορδής και ένα σωματίδιο με μηδενική μάζα και spin=2.

Εαν υπήρχε μια καλή κβαντική θεωρία της βαρύτητας, τότε το σωματίδιο που θα ήταν φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης θα είχε μηδενική μάζα και spin=2. Αυτό όμως ήταν γνωστό στους θεωρητικούς φυσικούς από καιρό. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο λέγεται βαρυτόνιο.

Αυτό οδήγησε τους πρώτους θεωρητικούς των χορδής να μην θεωρήσουν την θεωρία της χορδής σαν θεωρία των αδρονίων, αλλά της κβαντικής βαρύτητας.

Αλλά δεν ήταν αρκετό να προβλέψει το βαρυτόνιο η θεωρία της χορδής. Ο οποιοσδήποτε μπορεί να προσθέσει ένα βαρυτόνιο στην κβαντική θεωρία πεδίου, αλλά οι υπολογισμοί που προϋποθέτει για να περιγράψει τη Φύση γίνονται άχρηστοι. Και αυτό γιατί, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων συμβαίνουν σε ένα απλό σημείο του χωρόχρονου, σε μηδενική απόσταση μεταξύ των αντιδρώντων σωματιδίων.







Οι αλληλεπιδράσεις σωματιδιακής φυσικής (αριστερά) συμβαίνουν σε μηδενική απόσταση, αλλά όχι οι αντιδράσεις χορδής (δεξιά).Αυτό είναι που κάνει τη θεωρία της χορδής επιτυχημένη σαν κβαντική θεωρία της βαρύτητας.



Για τα βαρυτόνια, τα μαθηματικά συμπεριφέρονται τόσο άσχημα σε μηδενικές αποστάσεις που οι απαντήσεις δεν είναι ακριβείς. Στην θεωρία της χορδής, οι χορδές συγκρούονται πάνω σε μία μικρή αλλά πεπερασμένη απόσταση, και οι απαντήσεις γίνονται λογικές.

Αυτό δεν σημαίνει πως η θεωρία χορδής δεν είναι χωρίς ελλείψεις. Αλλά η συμπεριφορά μηδενικής απόστασης είναι τέτοια που μπορούμε να συνδυάσουμε κβαντική μηχανική και βαρύτητα., και μπορούμε να κουβεντιάσουμε σχετικά για μια διέγερση της χορδής που μεταφέρει την βαρυτική δύναμη.

Η νέα θεωρία Μ των χορδών

Το 1995 η θεωρία των χορδών αντικαταστάθηκαν από την Μ-Theory. Ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Edward Witten , καθηγητής στο Princeton και ειδικός στις χορδές εξηγεί ότι τo Μ της M-Theory μπορεί να εκληφθεί ως Μαγεία, Μυστήριο, ή Μεμβράνη.

Νέα στοιχεία δείχνουν ότι ίσως είναι η πιο εντυπωσιακή θεωρία από τότε που δημιουργήθηκε η θεωρία των χορδών. Η Μ-Theory παρόμοια με την θεωρία των χορδών βασίζεται στην ιδέα της υπερσυμμετρίας.

Οι φυσικοί χωρίζουν τα σωματίδια σε δυο τάξεις ανάλογα με το λεγόμενο “spin”. Η υπερσυμμετρία απαιτεί ότι για κάθε γνωστό σωματίδιο που έχει ακέραιο spin – 0 , 1 , 2, … - να υπάρχει ένα σωματίδιο με την ίδια μάζα αλλά με spin το μισό του ακεραίου (1/2, 3/2, 5/2,…) και το αντίστροφο.

Όμως, ποτέ μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί καμιά τέτοιου είδους συνύπαρξη τέτοιων υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Η συμμετρία (αν υπάρχει) πρέπει να σπάσει προκειμένου να εντοπιστούν από τους τωρινούς επιταχυντές. Ωστόσο οι θεωρητικοί φυσικοί ελπίζουν στην υπερσυμμετρία επειδή δίνει το υπόβαθρο πάνω στο οποίο οι ασθενείς , ισχυρές, και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μπορούν να ενοποιηθούν με την βαρύτητα.

Η υπερσυμμετρία μετασχηματίζει τις συντεταγμένες του χώρου και του χρόνου έτσι ώστε οι νόμοι της φυσικής να είναι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein στηρίζεται πάνω σε αυτήν την συνθήκη και η υπερσυμμετρία παράγει βαρύτητα.

Στην πραγματικότητα η υπερσυμμετρία παράγει “υπερβαρύτητα” στην οποία ένα σωματίδιο με spin 2 – το γκράβιτον – μεταδίδει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις και συνοδεύεται από το γκραβιτίνιον με spin 3/2. Η συμβατική βαρύτητα δεν έχει όρια όσον αναφορά τις πιθανές διαστάσεις του χωροχρόνου. Οι εξισώσεις μπορούν να μετασχηματιστούν σε οποιαδήποτε διάσταση. Όχι όμως και με την υπερβαρύτητα που θέτει ανώτατο όριο τις 11 διαστάσεις του χωροχρόνου.

Το 1962 ο Paul Dirac δημιούργησε ένα φανταστικό μοντέλο βασιζόμενο σε μεμβράνη. Έθεσε την ιδέα ότι ένα ηλεκτρόνιο ήταν στην πραγματικότητα μια κλειστή μεμβράνη γύρω από τον εαυτό του. Οι ταλαντώσεις, όπως πρότεινε ο Dirac, μπορεί να δημιουργήσουν σωματίδια όπως τα μυόνια, μια βαρύτερη έκδοση του ηλεκτρονίου. Αν και η απόπειρά του απέτυχε , οι εξισώσεις που χρησιμοποίησε για την μεμβράνη είναι οι ίδιες που χρησιμοποιούμε σήμερα. Ωστόσο η ιδέα της μεμβράνης αγνοήθηκε από την κοινότητα των υποστηριχτών της θεωρίας των χορδών. Η κατάσταση άλλαξε λόγο της προόδου σε ένα πολύ διαφορετικό πεδίο





Σωματιδιακή Φυσική : Η επόμενη γενεά - Εισαγωγή

Εισαγωγή

Αν και οι βασικοί δομικοί λίθοι της ύλης και οι αλληλεπιδράσεις τους έχουν θεμελιωθεί επαρκώς από θεωρητική άποψη, πολλές θεμελιώδεις ερωτήσεις παραμένουν αναπάντητες και περιμένουν τα πειράματα του μέλλοντος.

Η σωματιδιακή φυσική γεννήθηκε το 1897 με την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον J.J. Thomson και έκτοτε έχουν γίνει πολλά πειραματικά και θεωρητικά βήματα στον 20ο αιώνα.

Πολλά στρώματα από το κοσμικό κρεμμύδι παραμερίστηκαν και το στάδιο της τωρινής μας θεωρητικής κατανόησης συνοψίζεται στο λεγόμενο καθιερωμένο μοντέλο (standard model) το οποίο έχει δοκιμαστεί με μεγάλη επιτυχία στα εργαστήρια στοιχειωδών σωματιδίων σ’ όλο τον κόσμο. Δεν υπάρχει καμιά πιστοποιημένη μέτρηση σε οποιοδήποτε εργαστήριο που να αντιφάσκει με το καθιερωμένο μοντέλο. Παρόλα αυτά εμείς οι φυσικοί των στοιχειωδών σωματιδίων το βρίσκουμε μη ικανοποιητικό διότι η μεγάλη του επιτυχία θέτει νέα ερωτήματα που περιμένουν απαντήσεις.

Η μεγάλη πρόκληση της παρούσης χιλιετίας θα είναι να ξεπεράσουμε το καθιερωμένο μοντέλο και να φτάσουμε σε ένα νέο επίπεδο περιγραφής των συστατικών της ύλης και των αλληλεπιδράσεών τους. Είναι πολύ πιθανόν ότι αυτή η νέα κατανόηση θα κάνει το καθιερωμένο μοντέλο να μοιάζει σαν πρωτόγονο και ανεπαρκές όπως μας φαίνεται σήμερα το ατομικό μοντέλο που χρησιμοποιούσαν οι φυσικοί τον 19ο αιώνα.

Παρόλα αυτά τόσο τα άτομα όσο και οι εξισώσεις του Μaxwell και η βαρύτητα του Νεύτωνα έχουν ακόμα το ρόλο τους στη σύγχρονη θεωρία. Έτσι μπορούμε να περιμένουμε ότι οποιαδήποτε θεωρία και αν αναπτυχθεί στο μέλλον θα περιέχει το καθιερωμένο μοντέλο ως υποσύνολό της.

Ας ανακεφαλαιώσουμε λοιπόν πρώτα τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του καθιερωμένου μοντέλου πριν δούμε τα ανοιχτά προβλήματά του και τις προσπάθειες επίλυσής τους.



** Σημείωση: Το άρθρο αυτό γράφτηκε πριν από τις τελευταίες ανακοινώσεις στο CERN τον Σεπτέμβριο του 2000 για την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τον Tully και τους συνεργάτες του.

Home







Ο θρίαμβος του καθιερωμένου μοντέλου.

Οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων που περιγράφονται από το καθιερωμένο μοντέλο είναι η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής, και η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση. Ήταν ήδη γνωστό από τις πρώτες μέρες της κβαντικής φυσικής ότι για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων μεσολαβεί η ανταλλαγή ενός φωτονίου το οποίο δεν έχει μάζα. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται αρκετά καλά από την καθιερωμένη πια θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED).

Οι ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), και μεσολαβούν γι αυτές άμαζα μποζόνια που τα λέμε γκλουόνια. Αυτά ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο DESY στην Γερμανία το 1979.

Σύμφωνα με την ενοποιημένη θεωρία των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων που αναπτύχθηκε από τους Sheldon Glashow, Steven Weinberg, και Abdus Salam στη δεκαετία του 60, για την ασθενή αλληλεπίδραση όπως πχ τη β-διάσπαση μπορεί να μεσολαβεί η ανταλλαγή των φορτισμένων W+ και W- και του ουδέτερου Ζ0 μποζονίων που φέρουν μάζα. Αυτά ανακαλύφθηκαν το 1983 στο CERN και έχουν μάζα 80 και 91 GeV c-2 αντίστοιχα. Με τον τρόπο αυτό όλες οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις έχουν παρόμοια δομή, αλλά το ερώτημα γιατί μόνο τα μποζόνια των ασθενών αλληλεπιδράσεων να έχουν μάζα παραμένει ένα αίνιγμα στο οποίο θα επιστρέψουμε.

Η 1η Θριαμβευτική ανακάλυψη

Όπως ήδη αναφέραμε το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που αναγνωρίστηκε ήταν το ηλεκτρόνιο με μάζα περίπου 0,5 MeV c-2 και με spin ½. Ακολούθησε η ανακάλυψη άλλων σωματιδίων που τα είπαν λεπτόνια και δεν αισθάνονται τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις: το ασταθές μιόνιο το 1936 με μάζα περίπου 100 MeV c-2 , και το ταυ το 1975 με μάζα περίπου 1780 MeV c-2. Καθένα από αυτά τα φορτισμένα λεπτόνια έχει το δικό του αντίστοιχο αφόρτιστο νετρίνο και τα πειράματα στον επιταχυντή LEP στο CERN έδειξαν ότι δεν μπορεί να υπάρχουν άλλα παρόμοια νετρίνα. Τα δεδομένα του επιταχυντή έχουν θέσει επίσης ανώτατα όρια για τις πιθανές μάζες των νετρίνων οι οποίες αν υπάρχουν είναι πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες των φορτισμένων λεπτονίων.

Τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια γνωστά ως αδρόνια, τα οποία ανακαλύφθηκαν μετά το 1940 γνωρίζουμε σήμερα ότι αποτελούνται από άλλες στοιχειώδεις ποσότητες που τις λέμε quarks. Ξέρουμε ότι υπάρχουν 6 διαφορετικοί τύποι quarks, και οι μάζες τους κυμαίνονται από μερικά MeV c-2 για τα up και down quark από τα οποία είναι φτιαγμένη η συνήθης πυρηνική ύλη, έως περίπου 5 GeV c-2 για το bottom κουάρκ που ανακαλύφθηκε το 1977. Συγχρόνως το top κουάρκ που ανακαλύφθηκε το 1994 κατά την διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίων-αντιπρωτονίων στο εργαστήριο Fermilab έχει μάζα γύρω στα 170 GeV c-2.

Αν και οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις όπως φανερώνει και το όνομά τους είναι ισχυρές, είναι γνωστό ότι γίνονται ασθενέστερες στις υψηλές ενέργειες που αντιστοιχούν σε κοντινότερες αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτή η ιδιότητα γνωστή σαν “ασυμπτωτική ελευθερία” είναι μια κεντρική πρόβλεψη της QCD. Όπως και οι άλλες αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων έτσι και η QCD λέμε ότι είναι μια θεωρία βαθμίδας (gauge theory). Οι πιο πολλές θεωρίες των σωματιδίων παρουσιάζουν συμμετρίες κάτω από τις οποίες οι ιδιότητες ενός σωματιδίου όπως πχ το φορτίο του και οι χωρικές συντεταγμένες του, μπορούν να αλλάξουν πρόσημο χωρίς να αλλάξει η πρόβλεψη της θεωρίας. Τα ειδικά χαρακτηριστικά μιας θεωρίας βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι μετασχηματισμοί μπορούν να γίνουν ανεξάρτητα σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου. Αυτό αποδεικνύεται ότι μπορεί να συμβαίνει μόνον όταν το σωματίδιο φορέας της δύναμης έχει ακέραιο spin, δηλ. αν είναι μποζόνιο.

Στην QED στην πρώτη θεωρία βαθμίδας, το φωτόνιο έχει spin 1. Οι θεωρίες βαθμίδας αποτελούν τις μόνες συνεπείς περιγραφές των αλληλεπιδράσεων τέτοιων σωματιδίων. Η Γενική θεωρία της Σχετικότητας έχει μια παρόμοια δομή με την QED αλλά στο ρόλο του μποζονίου-φορέα βρίσκεται εδώ το γκραβιτόνιο, ένα αινιγματικό σωματίδιο με spin 2 το οποίο δεν έχει ακόμα ανιχνευτεί.

Στη φυσική των σωματιδίων κυριαρχούν τα τελευταία χρόνια μια σειρά από τεστ ακριβείας για το καθιερωμένο μοντέλο, τόσο στην περιοχή των ισχυρών όσο και στην περιοχή των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Η ασυμπτωτική ελευθερία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων έχει πιστοποιηθεί σε ένα μεγάλο αριθμό πειραμάτων με ενέργειες από 1GeV έως περίπου 200GeV. Στην περιοχή των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων κυριαρχούν τα τεστ που γίνονται με συγκρούσεις ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλών ενεργειών στους επιταχυντές LEP και SLC στο Stanford της Καλιφόρνιας.

Ακριβείς προβλέψεις

Τα πρώτα χρόνια της λειτουργίας του, οι δέσμες στο LEP ρυθμίζονταν σε τέτοιες ενέργειες που αντιστοιχούσαν στη μάζα του Ζ0 σωματιδίου. Σ’ αυτές τις συγκεκριμένες ενέργειες ο ρυθμός με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια αυξάνει σημαντικά και η γραφική παράσταση του ρυθμού των αλληλεπιδράσεων σε συνάρτηση με την ενέργεια δείχνει στις τιμές αυτές μια κορυφή “συντονισμού”.Οι μετρήσεις στο LEP έδειξαν επίσης ότι υπάρχουν ακριβώς τρία είδη νετρίνων, ούτε περισσότερα ούτε λιγότερα.

Πολλές από τις μετρήσεις που έγιναν στο LEP και στο SLC έχουν ακρίβεια 1: 1000 και καμιά δεν έδειξε σημαντική διαφορά με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου.

Αυτές οι προβλέψεις απαιτούν μικρές κβαντικές διορθώσεις που οφείλονται σε δυνάμει σωματίδια τα οποία εκπέμπονται από πραγματικά σωματίδια και ζουν ελάχιστα μέχρι να απορροφηθούν ξανά. Οι διορθώσεις αυτές μπορούν να υπολογιστούν αξιόπιστα μέσα στα πλαίσια της ηλεκτρασθενούς θεωρίας. Σε πολλές κβαντικές θεωρίες αυτοί οι υπολογισμοί δίνουν ως αποτέλεσμα άπειρο, και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουμε αξιόπιστες προβλέψεις. Ένα από τα θαύματα των θεωριών βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι απειρισμοί μπορούν να αρθούν, επιτρέποντας την εξαγωγή πεπερασμένων προβλέψεων για διάφορα φυσικά μεγέθη. Αυτό έγινε πρώτα για την QED την δεκαετία του 40. Στην αρχή της δεκαετίας του 70 ο Gerard ‘t Hooft και ο Martinus Veltman απέδειξαν ότι αυτή η άρση των απειρισμών μπορούσε να συμβεί και για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις, ένα επίτευγμα που τους έδωσε το βραβείο Nobel της Φυσικής το 1999.





Ιχνη φορτισμένων σωματιδίων σε θάλαμο φυσσαλίδων

Η φωτογραφία ανήκει στο Fermilab





Η φωτογραφία δείχνει τα ίχνη που αφήνονται σε ένα θάλαμο φυσσαλίδων από τα στοιχειώδη φορτισμένα υποατομικά σωματίδια καθώς αυτά ταξιδεύουν μέσω ενός ειδικού υγρού που κάνει φυσσαλίδες κατά την παρουσία ηλεκτρικών φορτίων. Το κινούμενο ουδέτερο σωματίδιο, που σημειώνεται με το N, παριστάνει ένα στοιχειώδες ουδέτερο σωματίδιο, όπως είναι ένα νετρίνο που συγκρούεται με έναν από τους πυρήνες των ατόμων στο υγρό, παράγοντας με αυτό το τρόπο ένα καταιγισμό φορτισμένων σωματιδίων που τότε διασπώνται σε ένα άλλο πλήθος φορτισμένων σωματιδίων.

Οι υπολογισμοί αυτοί που λέγονται υπολογισμοί βρόχων είναι πολύ ευαίσθητοι στις μάζες των δυνάμει σωματιδίων τα οποία είναι πολύ βαριά για να παραχθούν απευθείας στο LEP ή στο SLC. Πιο συγκεκριμένα, οι διάφορες μετρήσεις των διασπάσεων του Ζ0, είναι πολύ ευαίσθητες στη μάζα του top quark. Έτσι οι φυσικοί μπόρεσαν να προβλέψουν επιτυχώς τη μάζα του top quark, πριν αυτό ανακαλυφθεί, δοκιμάζοντας ποια μάζα ταίριαζε καλύτερα με τα πειραματικά δεδομένα των διασπάσεων του Ζ0.

Οι δέσμες στο LEP έχουν τώρα ανέλθει σε ενέργειες πάνω από το κατώφλι παραγωγής Ζ0, έτσι ώστε να μπορούν να παράγονται ζεύγη W μποζονίων. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο τα ζεύγη των W, μπορούν να παραχθούν αν τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια πρώτα δημιουργήσουν ένα φωτόνιο ή Ζ0 μποζόνιο, ή ανταλλάξουν ένα νετρίνο. Και οι τρεις αυτές συνεισφορές είναι απαραίτητες για να εξηγηθούν τα δεδομένα του LEP και οι μετρήσεις είναι σε καλή συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις. Έτσι το καθιερωμένο μοντέλο παραμένει θριαμβευτής.

** Σημείωση: Το άρθρο αυτό γράφτηκε πριν από τις τελευταίες ανακοινώσεις στο CERN τον Σεπτέμβριο του 2000 για την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τον Tully και τους συνεργάτες του.











Ελλείψεις του καθιερωμένου μοντέλου

Πειραματικά επιτεύγματα

Υπάρχουν ακόμη μερικά χαρακτηριστικά-κλειδιά της θεωρίας που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί. Ένα από αυτά είναι η προέλευση των μαζών των σωματιδίων. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο, η θεωρία πεδίου στην οποία στηρίζεται, μπορεί να διτυπωθεί και με άμαζα σωματίδια κατά πολύ συμμετρικό τρόπο. Παρόλα αυτά το κενό της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης σπάει αυτή τη συμμετρία και δίνει διαφορετικές μάζες σε διαφορετικά σωματίδια. Υπεύθυνο γι αυτό το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας πιστεύεται ότι είναι ένα βαθμωτό πεδίο που του αντιστοιχεί ένα σωμάτιο, το λεγόμενο μποζόνιο Higgs. Η ακρίβεια των ηλεκτρασθενών πειραματικών δεδομένων είναι ευαίσθητη στη μάζα αυτού του σωματιδίου, και με τα σημερινά δεδομένα προβλέπεται γι αυτό μια μάζα της τάξης των 100 GeV c-2 με ένα παράγοντα αβεβαιότητας περίπου 2. Η έρευνα για τα μποζόνια Higgs είναι ένας συνεχής σκοπός των πειραματικών προγραμμάτων στο LEP. Οι έρευνες αυτές δεν έχουν αποδώσει έως τώρα και έχουν εδραιώσει την άποψη ότι η μάζα του Higgs πρέπει να υπερβαίνει τα 102 GeV c-2.

Τα πειράματα στο LEP θα μπορούσαν να επεκτείνουν την έρευνα έως τα 110 GeV c-2. Αν όμως το μποζόνιο Higgs είναι βαρύτερο, η ανακάλυψή του μπορεί να απαιτεί μελλοντικά πειράματα στο Fermilab ή στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN.

Ένα άλλο στοιχείο που μας λείπει στα τεστ του καθιερωμένου μοντέλου, είναι ο μηχανισμός με τον οποίο επικράτησε η ύλη επί της αντιύλης. Αυτό το θέμα έχει μεγάλη σπουδαιότητα για την ιστορία του Σύμπαντος, το οποίο δεν φαίνεται να έχει σημαντική ποσότητα αντιύλης, παρά την φυσική προσδοκία ότι αρχικά υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Το 1957 οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις εμφανίστηκαν να παραβιάζουν όχι μόνο την κατοπτρική συμμετρία (parity) αλλα επίσης και την συμμετρία της αντικατάστασης ενός σωματιδίου με το ηλεκτρικά αντίθετό του αντισωματίδιο. Αυτό σημαίνει ότι εν γένει ότι σωματίδια με spin μιας ορισμένης κατεύθυνσης συμπεριφέρονται διαφορετικά από όμοια σωματίδια με spin αντίθετης κατεύθυνσης. Σημαίνει επίσης ότι σωματίδια και αντισωματίδια που έχουν spin ίδιας κατεύθυνσης συμπεριφέρονται διαφορετικά.

Αρχικά νομίστηκε ότι ο συνδυασμός της κατοπτρικής συμμετρίας και της εναλλαγής σωματιδίου με αντισωματίδιο που είναι γνωστός ως CP συμμετρία ήταν πράγματι μια απαραβίαστη συμμετρία. Ένα πείραμα όμως του 1964 αποκάλυψε ότι και η CP παραβιάζεται κατά τις ασθενείς διασπάσεις των ουδέτερων Κ-μεσονίων που περιέχουν παράξενα (strange) quarks.

Το 1973 ο Makoto Kobayashi και ο Toshikide Maskawa πρότειναν ότι η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης θα μπορούσε να φιλοξενηθεί μέσα στα πλαίσια του καθιερωμένου μοντέλου αν υπήρχαν τουλάχιστον 6 είδη quarks. Από τότε πολλή θεωρητική προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην εκτίμηση των προβλέψεων του καθιερωμένου μοντέλου για ασυμμετρίες ύλης-αντιύλης σε διάφορες διεργασίες. Υπάρχει επίσης ένα εκτεταμένο πειραματικό πρόγραμμα για έλεγχο αυτών των προβλέψεων. Τα πειράματα βρίσκονται σε συνέπεια με το καθιερωμένο μοντέλο επιβεβαιώνοντας πρόσφατα την παραβίαση της CP συμμετρίας στην περίπτωση της διάσπασης των ουδέτερων Κ-μεσονίων. Όμως τα πειράματα δεν έχουν ακόμη πιστοποιήσει τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου σε διασπάσεις άλλων σωματιδίων.

Τον τελευταίο καιρό υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον στην έρευνα για παραβίαση τηςCP σε διασπάσεις Β-μεσονίων που περιέχουν το bottom quark. Ικανοί αριθμοί Β-μεσονίων παράγονται σε νέους επιταχυντές που λέγονται Β-εργοστάσια και λειτουργούν στο SLAC του Stanford και στο εργαστήριο ΚΕΚ στην Ιαπωνία.

Αν και το καθιερωμένο μοντέλο είναι πολύ επιτυχημένο χωρίς να υπάρχουν επιβεβαιωμένα αποτελέσματα από τους επιταχυντές που να συγκρούονται με αυτό, υπάρχουν αρκετοί θεωρητικοί λόγοι να το θεωρούμε μη ικανοποιητικό και να περιμένουμε κάποια Νέα Φυσική πέραν αυτού. Για παράδειγμα ακόμα και αν κανείς παραδεχτεί τα φορτία και τα spins των quarks και των λεπτονίων το καθιερωμένο μοντέλο περιέχει 19 ελεύθερες παραμέτρους που καθορίζονται από το πείραμα. Τόσες πολλές παράμετροι είναι σίγουρα απαράδεκτες για μια θεωρία που φιλοδοξεί να είναι θεωρία των πάντων. Οι προσπάθειες να πάμε πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο τυπικά προσπαθούν να απλοποιήσουν τουλάχιστον μια από αυτές τις όψεις του.

Μεγάλη Έκρηξη.

Μεγάλη έκρηξη (Big Bang, Μπιγκ Μπανγκ) ονομάζεται η θεωρία σύμφωνα με την οποία το Σύμπαν δημιουργήθηκε από μια υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι η πιο διαδεδομένη αυτή τη στιγμή στην Επιστημονική κοινότητα. Ο όρος Big Bang χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Φρεντ Χόιλ σε μια ραδιοφωνική εκπομπή του BBC, το κείμενο της οποίας δημοσιεύτηκε το 1950. Ο Χόιλ δεν χρησιμοποίησε τον όρο για να περιγράψει μια θεωρία, αλλά για να ειρωνευτεί τη νέα ιδέα. Παρόλα αυτά ο όρος έμεινε, χάνοντας το ειρωνικό του περιεχόμενο.






Θεωρία

Εισηγητής της θεωρίας υπήρξε ο Βέλγος Αββάς και Αστρονόμος Έντουαρντ Λεμαίτρ. Ύστερα από τις διαπιστώσεις ότι:

• Οι λύσεις της Γενικής θεωρίας της σχετικότητας προέβλεπαν ως αρχή του σύμπαντος μια μαθηματική ανωμαλία

• Εφ' όσον η Εντροπία (το μέτρο της αταξίας) του σύμπαντος ολοένα και αυξάνει θα υπήρχε στιγμή στο παρελθόν με ελάχιστη Εντροπία όπου η Ύλη θα είχε τη μέγιστη δυνατή πυκνότητα.

Με βάση αυτές τις 2 παρατηρήσεις πρότεινε ως αρχή του σύμπαντος το αρχικό άτομο, όπου ολόκληρη η μάζα του σύμπαντος είναι συγκεντρωμένη σε ένα και μοναδικό σημείο και ο Χωρόχρονος δεν έχει ακόμα δημιουργηθεί. Το αρχικό άτομο εν καιρώ εξερράγη και από την Ύλη που εκτοξεύτηκε δημιουργήθηκαν γαλαξίες και τα αστέρια.

Το 1948 ο Τζώρτζ Γκάμοφ, Ρωσοαμερικάνος φυσικός, μελετώντας θεωρητικά την υπερβολικά πυκνή κατάσταση του αρχικού ατόμου συμπέρανε ότι:

• Το Ήλιο και τα άλλα ελαφρά χημικά στοιχεία πρέπει να δημιουργήθηκαν εντός τεσσάρων δευτερολέπτων.

• Μια διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, απομεινάρι της μεγάλης έκρηξης, θα πρέπει να είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμη.

Διαστολή Σύμπαντος

Το γνωστό και ως φαινόμενο της μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift), η διαπίστωση δηλαδή ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους, απόδειξη της κοινής εκκίνησης στο απώτατο παρελθόν.

Ακτινοβολία μικροκυμάτων

Το 1965 οι φυσικοί Άλλο Πενζίας (Allo Arno Penzias) και , Ρόμπερτ Γουίλσον (Robert Woodrow Wilson) παρατήρησαν μια μικρού μήκους διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, που ερχόταν δηλαδή ομοιόμορφα απ' όλες τις διευθύνσεις, θερμοκρασίας περίπου τριών βαθμών Κέλβιν, σαν αυτή που είχε προβλέψει ο Τζώρτζ Γκάμοφ 17 χρόνια νωρίτερα.

Κατανομή Γαλαξιών

Από την αρχή της διατύπωσης της θεωρίας της Μεγάλης έκρηξης διαπιστώθηκε ότι η πυκνότητα των γαλαξιών θα πρέπει να μειώνεται αυξανόμενης της ηλικίας του σύμπαντος. Το φαινόμενο απέδειξε ο αστροφυσικός Σερ Μάρτιν Ράιλ το 1974.



Επιτυχίες της Θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης

• Η διαστολή του σύμπαντος

• Το ποσοστό του He στο Σύμπαν

• Η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CΜΒ)

• Το παράδοξο του Olbers

• Τα ελαφρά ισότοπα



Προβλήματα της Θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης

• Το πρόβλημα του ορίζοντα

• Το πρόβλημα επιπεδότητας

• Η ανομοιογένεια της κατανομής της ύλης στο σύμπαν σε μικρή κλίμακα

• Η σύμπτωση των μεγάλων αριθμών

• Το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης

• Η απουσία των μαγνητικών μονοπόλων

• Ασυμμετρία Ύλης & Αντιύλης

• Επιταχυνόμενη Διαστολή Σύμπαντος



Απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα προσπάθησαν να δώσουν κάποιες άλλες θεωρίες, με κυρίαρχη αυτή του πληθωριστικού μοντέλου.



Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης έχει και πολλούς πολέμιους εκτός από υποστηρικτές που στηρίζουν διαφορετικές κοσμολογικές θεωρίες.

Ανακτήθηκε από το "http://www.astronomia.gr/wiki/index.php?title=%CE%9C%CE%B5%CE%B3%CE%AC%CE%BB%CE%B7_%CE%88%CE%BA%CF%81%CE%B7%CE%BE%CE%B7".

Κατηγορία: Κοσμολογία









Μια ευρύτερη από τη γενική σχετικότητα γεωμετρική ερμηνεία του κόσμου

.







.

Σύμφωνα με μια ερμηνεία της θεωρίας χορδών, το σύμπαν είναι ένας αφρός από φούσκες που εκτείνονται. Σε καθεμιά απ' αυτές επικρατούν διαφορετικοί φυσικοί νόμοι. Ελάχιστες επιτρέπουν τη δημιουργία πολύπλοκων δομών, όπως οι γαλαξίες και η ζωή. Ολο το ορατό σε μας σύμπαν είναι μια σχετικά μικρή περιοχή σε μια από αυτές τις φούσκες. (Το γαλάζιο είναι κι αυτό εσωτερικό μιας άλλης φούσκας, κ.ο.κ.)

.

.

Σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η βαρύτητα δημιουργείται από την ίδια τη γεωμετρία του χωρόχρονου. Γιατί να μην προσπαθήσουμε να βρούμε μια γεωμετρική ερμηνεία και των άλλων δυνάμεων (πεδίων) της φύσης, μια ερμηνεία που θα μπορούσε να εξηγήσει και τα ίδια τα υποατομικά σωματίδια (π.χ. γιατί το ηλεκτρόνιο έχει το βάρος που έχει και το φορτίο που έχει); Αυτή η αναζήτηση, άλλωστε, απασχόλησε και τον ίδιο τον Αϊνστάιν στα τελευταία 30 χρόνια της ζωής του. Τον προσέλκυσαν ιδιαίτερα οι εργασίες του Γερμανού Θ. Καλούζα και του Σουηδού Ο. Κλάιν, σύμφωνα με τις οποίες, ενώ η βαρύτητα αντανακλά το σχήμα των γνωστών τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου (τρεις διαστάσεις ο χώρος και μια ο χρόνος), ο ηλεκτρομαγνητισμός οφείλεται στη γεωμετρία μιας πέμπτης διάστασης, που είναι πολύ μικροσκοπική για να μπορεί να παρατηρηθεί απευθείας.



Σε αναζήτηση ενιαιοποιητικής θεωρίας



Η έρευνα του Αϊνστάιν για μια ενιαιοποιητική θεωρία θεωρείται από πολλούς σαν αποτυχημένη. Στην πραγματικότητα ήταν πρόωρη, αφού η φυσική δεν είχε ανακαλύψει τις πυρηνικές δυνάμεις, ούτε είχε διερευνήσει τον κρίσιμο ρόλο της κβαντικής θεωρίας πεδίου στην περιγραφή των φυσικών φαινομένων, κάτι που πραγματοποιήθηκε μόλις στη δεκαετία του 1970. Η έρευνα για μια ενιαιοποιητική θεωρία είναι σήμερα στο επίκεντρο της θεωρητικής φυσικής και όπως προείδε ο Αϊνστάιν, οι γεωμετρικές έννοιες παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο. Η ιδέα των Καλούζα - Κλάιν ξανάρθε στην επικαιρότητα και επεκτάθηκε σαν χαρακτηριστικό της θεωρίας χορδών, που είναι ένα πλαίσιο για την ενοποίηση της κβαντομηχανικής, της γενικής σχετικότητας και της σωματιδιακής φυσικής. Τόσο στην υπόθεση των Καλούζα - Κλάιν, όσο και στη θεωρία χορδών, οι νόμοι της φύσης που διαπιστώνουμε, ελέγχονται από το σχήμα και το μέγεθος επιπρόσθετων μικροσκοπικών διαστάσεων.



Φανταστείτε ένα τμήμα του χώρου σε σχήμα ενός λεπτού σωλήνα. Από μακριά ο σωλήνας φαίνεται σαν μονοδιάστατη γραμμή, αλλά σε μεγέθυνση το κυλινδρικό του σχήμα γίνεται εμφανές. Κάθε σημείο (μηδενικής διάστασης) πάνω στη γραμμή, αποδεικνύεται ότι είναι ένας μονοδιάστατος κύκλος πάνω στο σωλήνα. Στην αρχική θεωρία Καλούζα - Κλάιν, κάθε σημείο του συνηθισμένου τρισδιάστατου χώρου είναι στην πραγματικότητα ένας μικροσκοπικός κύκλος.



Ο Καλούζα και ο Κλάιν διατύπωσαν την υπόθεση για την πέμπτη διάσταση στις αρχές του 20ού αιώνα, όταν οι επιστήμονες γνώριζαν μόνο δύο φυσικές δυνάμεις: Τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη βαρύτητα. Και οι δύο μειώνονται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης από την πηγή τους, έτσι ήταν πειρασμός να θεωρηθεί ότι υπάρχει κάποια συσχέτιση μεταξύ τους. Ο Καλούζα και ο Κλάιν παρατήρησαν ότι η γεωμετρική θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα μπορεί να γινόταν ο σύνδεσμος, αν υπήρχε μια επιπρόσθετη χωρική διάσταση, κάνοντας τον χωρόχρονο πενταδιάστατο.



Μικρή και διπλωμένη



Αυτή η ιδέα δεν είναι τόσο παράξενη όσο φαίνεται από πρώτη ματιά. Αν η επιπλέον χωρική διάσταση είναι διπλωμένη σε ένα αρκετά μικρό κύκλο, κάλλιστα μπορεί να διαφεύγει της παρατήρησης ακόμα και με τα καλύτερα μικροσκόπιά μας (δηλαδή τους ισχυρότερους επιταχυντές σωματιδίων). Αν και δεν μπορούμε να την ανιχνεύσουμε απευθείας, μια μικρή επιπλέον διάσταση θα μπορούσε να έχει σημαντικές έμμεσες επιδράσεις, ικανές να παρατηρηθούν. Η γενική σχετικότητα θα περιέγραφε τότε τη γεωμετρία ενός πενταδιάστατου χωρόχρονου. Μπορούμε να διαχωρίσουμε αυτή τη γεωμετρία σε τρία στοιχεία: Το σχήμα των τεσσάρων μεγάλων χωροχρονικών διαστάσεων, τη γωνία μεταξύ της μικρής διάστασης και των υπόλοιπων διαστάσεων και την περίμετρο της μικρής διπλωμένης διάστασης. Ο μεγάλος χωρόχρονος λειτουργεί με βάση την τυπική τετραδιάστατη γενική σχετικότητα. Σε κάθε θέση μέσα σ' αυτόν, η γωνία και η περίμετρος έχουν κάποια τιμή, όπως δύο πεδία που διατρέχουν το χωρόχρονο και έχουν συγκεκριμένες τιμές σε κάθε σημείο κάθε χρονική στιγμή. Είναι εκπληκτικό ότι το πεδίο της γωνίας αποδεικνύεται να έχει χαρακτηριστικά ίδια με εκείνα ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στον τετραδιάστατο κόσμο. Δηλαδή, οι εξισώσεις που κυβερνούν τη συμπεριφορά του είναι πανομοιότυπες με εκείνες του ηλεκτρομαγνητισμού. Η περίμετρος καθορίζει τις σχετικές δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρομαγνητικού και βαρυτικού πεδίου. Ετσι, από μια θεωρία της βαρύτητας στις πέντε διαστάσεις, παίρνουμε μια θεωρία της βαρύτητας και του ηλεκτρομαγνητισμού στις τέσσερις διαστάσεις!



Γεωμετρική οπτική των φυσικών νόμων



Η πιθανότητα επιπλέον διαστάσεων έχει αρχίσει να παίζει σημαντικό ρόλο στην ενοποίηση της γενικής σχετικότητας με την κβαντομηχανική. Στη θεωρία χορδών, μια από τις κυρίαρχες προσεγγίσεις σ' αυτή την ενοποίηση είναι ότι τα σωματίδια αποτελούν στην πραγματικότητα μονοδιάστατα αντικείμενα, ότι είναι μικροί ταλαντωνόμενοι βρόχοι ή νήματα. Το τυπικό μέγεθος μιας χορδής είναι κοντά στο μήκος του Πλανκ, δηλαδή μικρότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου. Κατά συνέπεια, η χορδή μοιάζει με σημείο σε οποιαδήποτε μεγέθυνση, που η διακριτική της ικανότητα απέχει από το μήκος του Πλανκ.



Για να είναι μαθηματικά συνεπής η θεωρία χορδών, μια χορδή πρέπει να πάλλεται σε 10 χωροχρονικές διαστάσεις, που σημαίνει ότι υπάρχουν 6 ακόμα κρυφές διαστάσεις, πέρα από τις τέσσερις που γνωρίζουμε. Μαζί με τις χορδές, μέσα στο χωροχρόνο μπορεί να υπάρχουν και φύλλα, επιφάνειες που οι θεωρητικοί ονομάζουν βράνες (από το μεμβράνες) με διαφορετικό αριθμό διαστάσεων. Στην αρχική θεωρία Καλούζα - Κλάιν, τα σωματίδια απλώνονται σαν επίχρισμα πάνω στην πρόσθετη διάσταση. Αντίθετα, οι χορδές μπορούν να περιοριστούν, ώστε να βρίσκονται πάνω σε μία βράνη. Αν και η θεωρία χορδών φαίνεται πιο πολύπλοκη από τη θεωρία Καλούζα - Κλάιν, η μαθηματική υποδομή της είναι πιο συμπαγής και πλήρης. Η κεντρική ιδέα των Καλούζα - Κλάιν παραμένει: Οι φυσικοί νόμοι που παρατηρούμε, εξαρτώνται από τη γεωμετρία των κρυμμένων πρόσθετων διαστάσεων.



Θεωρία για τα πάντα;



Ωστόσο, η θεωρία χορδών δεν έχει φτάσει ακόμα στο επίπεδο ανάπτυξης που θα της έδινε έναν ακριβή και στέρεο μαθηματικό φορμαλισμό, που θα βασίζεται σε κάποια ευκολονόητη φυσική αρχή, όπως συμβαίνει στην περίπτωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Πολλά από τα συμπεράσματά της, αλλά και από τα συστατικά της στοιχεία ίσως αποδειχτούν εντελώς λαθεμένα και ίσως και η ίδια η θεωρία να εγκαταλειφθεί. Δεν παύει, όμως, να είναι η θεωρία στην οποία πολλοί από τους καλύτερους ερευνητές αφιέρωσαν πολύ από το χρόνο τους τις τελευταίες δεκαετίες, προσπαθώντας να πετύχουν να εκπληρώσουν το όνειρο του Αϊνστάιν: Να ενοποιήσουν όλα τα θεμελιώδη συστατικά στοιχεία της φύσης (που γνωρίζουμε), σε μια «θεωρία για τα πάντα». Ακόμα κι αν αυτό κάποτε επιτευχθεί, είναι βέβαιο, ότι θα έχουμε απλώς ανακαλύψει ένα ακόμα επίπεδο πολυπλοκότητας της φυσικής πραγματικότητας. Μιας πραγματικότητας που ο πλούτος της δε θα πάψει να μας εκπλήσσει ποτέ. Η ίδια η θεωρία χορδών, με βάση ορισμένες παραδοχές, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν στο οποίο ζούμε, ίσως είναι ένα μόνο από μια απειρία «συμπάντων», που το καθένα έχει τους δικούς του φυσικούς νόμους...



Επιμέλεια: Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ

Πηγή: «Scientific American»

.

• Η Θεωρία των Υπερχορδών αποτελεί ένα ιδιαίτερα εξελιγμένο μαθηματικό μοντέλο φτιαγμένο έτσι ώστε να περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας του μικρόκοσμου, του μακρόκοσμου, του χώρου, του χρόνου, όλων των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά και όλων των φυσικών δυνάμεων. Ο τρόπος που βλέπει τον Κόσμο τούτη η θεωρία είναι συνθετικός. Για παράδειγμα, μια από τις βασικές προσπάθειες των επιστημόνων που εργάζονται πάνω στη θεωρία αυτή είναι η ενοποίηση των τεσσάρων θεμελιωδών φυσικών δυνάμεων (ηλεκτρομαγνητικής, βαρυτικής, πυρηνικής και ασθενούς) σε μία και μόνο Δύναμη της οποίας αυτές οι τέσσερις θα αποτελούν συγκεκριμένες εκφράσεις κάτω από κατάλληλες συνθήκες. Η προοπτική αυτή είναι συγκλονιστική και αποτέλεσε το όνειρο του Άλμπερτ Αϊνστάιν αλλά και αποτελεί το όνειρο κάθε φυσικού επιστήμονα στις μέρες μας. Και αυτό διότι υπόσχεται ότι θα μπορεί ο Κόσμος να γίνεται αντιληπτός όχι αποσπασματικά αλλά στο σύνολό του. Έτσι θα εισέλθουμε στο άδυτο της φύσης, στην επικράτεια των αιτιών από όπου θα μπορούμε να παρατηρούμε, να ερμηνεύουμε και να κατανοούμε τον Φυσικό Κόσμο ως αποτέλεσμα αυτών των αιτιών. Με άλλα λόγια η αντίληψη του Κόσμου μέσα από τη Θεωρία των Υπερχορδών προσφέρει ουσιαστικά ένα νέο είδος συνείδησης που ανυψώνεται πάνω από τον κόσμο των φαινομένων και γι’ αυτό θεωρείται ότι θα μπορεί να ερμηνεύει τα πάντα μέσα στον κόσμο των φαινομένων. Αυτός ήταν σε γενικές γραμμές ο λόγος που οι φυσικοί αναγνωρίζοντας αυτές τις εξαιρετικές προοπτικές χαρακτηρίζουν πλέον τη Θεωρία των Υπερχορδών ως την επερχόμενη Θεωρία των Πάντων, μέσα στην οποία θα βρίσκει ερμηνεία όλος ο Κόσμος... περισσότερα εδώ

Σύνδεσμοι:

• Η Θεωρία των Πάντων - Το όνειρο του Einstein

• Θεωρία Μ-χορδών

• Η κλίμακα του Plank και η θεωρία των υπερχορδών

• Οι θεωρίες χορδής - Πως άρχισε η ιστορία με τις χορδές

• ΤΟ ΒΗΜΑ: Θα έχουμε ποτέ μια «θεωρία των πάντων»;

• Όταν η επιστήμη αφουγκράζεται τη μουσική του κόσμου

Θεωρία των Χορδών και πίστη στον Θεό.

Θεωρία των Χορδών και πίστη στον Θεό


Μια ίση σύγκριση σε αντίστοιχη κριτική

Ένα συχνό επιχείρημα των Αθεϊστών, είναι ότι δήθεν η Θεολογία "κρύβεται" πίσω από το άγνωστο, πίσω από "επιστημονικά κενά", φτιάχνοντας δήθεν "ελαστικές" θεωρίες που να μπορούν να υποχωρούν κάθε φορά που η επιστήμη κάνει ένα βήμα μπροστά στην κατανόηση του κόσμου. Και μας υποδεικνύουν τις σύγχρονες επιστημονικές θεωρίες, (σαν τη θεωρία των χορδών), ως "πανάκεια", που δίνουν λύση σε κάθε μας κενό και απορία, και που κάνουν τον Θεό να φαντάζει "άχρηστος" στη ζωή μας. Πόσο αληθινό όμως είναι αυτό το επιχείρημα; Και πόσο συνεπείς είναι, αν εφαρμόσουμε το ίδιο αυτό επιχείρημα, στη θεωρία των Χορδών την οποία ορισμένοι επικαλούνται; Τι θα βρούμε μετρώντας με ίσα μέτρα και σταθμά την πίστη και την επιστήμη;

Πριν πούμε οτιδήποτε, για να μην παρεξηγηθούμε, οφείλουμε να ξεκαθαρίσουμε ότι σε καμία περίπτωση τα όσα θα σχολιάσουμε στη συνέχεια, δεν πρέπει να εκληφθούν ως "επίθεση" προς την επιστημονική θεωρία των Χορδών. Αντιθέτως θεωρούμε ότι πρόκειται για μια ευφυέστατη σύλληψη, με μεγάλες προοπτικές, και με δυνατότητα να προωθήσει την επιστήμη σε μεγαλύτερα ύψη, και παράλληλα ως μία ακόμα επιστημονική θεωρία που συμβιβάζεται ΚΑΙ ΣΥΜΦΩΝΕΙ με τη θεολογία, σε κάθε της έκφραση.

Αυτό που θέλουμε να δείξουμε, είναι απλώς η ΑΣΥΝΕΠΕΙΑ των Αθεϊστών που την επικαλούνται δήθεν ως αντίθετη με την πίστη στον Θεό, εφαρμόζοντας πάνω σε αυτή την ίδια θεωρία, τα όσα οι παράλογοι αυτοί άνθρωποι καταμαρτυρούν στην πίστη!

Στην ανάλυσή μας αυτή, θα πάρουμε στοιχεία από ένα εξαιρετικό άρθρο του Φυσικού Άγγελου Βορβολάκου, από το επιστημονικό περιοδικό "Περισκόπιο της Επιστήμης", Νο 329, Σεπτεμβρίου 2008, σελ. 10-24, με θέμα: "Θεωρία των Πάντων".

Πριν σχολιάσουμε όμως, ας δούμε πώς ξεκίνησε και πώς διαμορφώθηκε η θεωρία των Χορδών, από απόσπασμα του άρθρου (με σκούρο μπλε χρώμα, και με την εντονοποίηση ορισμένων φράσεων δική μας):



Πώς ξεκίνησε η θεωρία των Χορδών

...

Τον Απρίλιο του 1919 ο Αϊνστάιν έλαβε μια επιστολή που πραγματικά τον άφησε άφωνο. Ο Αποστολέας του γράμματος αυτού ήταν ένας άγνωστος μέχρι τότε μαθηματικός, ο Theodor Kaluza, από το Πανεπιστήμιο του Konigsberg στην τότε Γερμανία. Στο μικρό σε έκταση άρθρο που περιεχόταν στην επιστολή, ο άσημος αυτός μαθηματικός πρότεινε τη λύση σε ένα από τα πιο φλέγοντα επιστημονικά προβλήματα της εποχής του. Με συνοπτική κυριολεκτικά περιγραφή, ο Kaluza έδειχνε το τρόπο ενοποίησης της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell με την εισαγωγή της πέμπτης διάστασης. Ουσιαστικά ο Kaluza πρότεινε την επέκταση των χωρικών διαστάσεων από τρεις σε τέσσερις και συνδύαζε αυτές τις διαστάσεις με τον μονοδιάστατο χρόνο προκειμένου να δημιουργήσει τη δική του έκδοση του χωροχρόνου σε πέντε διαστάσεις. Σε πλήρη αντιστοιχία με τις ιδέες του Rieman και του Clifford, ο Kaluza θεωρούσε ότι το φως είναι απλώς μια διαταραχή που οφείλεται στην κύρτωση της επιπλέον αυτής χωρικής διάστασης. Η θεμελιώδης διαφορά στην προσέγγιση του Kaluza είναι ότι έχοντας στη διάθεση του τις θεωρίες πεδίου για την ηλεκτρομαγνητική και βαρυτική αλληλεπίδραση, πρότεινε μια αυθεντική θεωρία ενοποιημένων πεδίων.

Η προσέγγιση του Kaluza στο άρθρο του ξεκινά σχετικά ανώδυνα γράφοντας τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα σε πέντε διαστάσεις αντί για τις συνηθισμένες τέσσερις. Οι εξισώσεις πεδίου που προκύπτουν σε πέντε διαστάσεις εμπεριέχουν την τετραδιάστατη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν (κάτι το αναμενόμενο) καθώς και ένα επιπλέον τμήμα. Το εκπληκτικό όμως της προσέγγισης αυτής (και αυτό που εξηγεί και την έκπληξη του Αϊνστάιν) ήταν ότι το επιπλέον αυτό τμήμα αντιστοιχούσε ακριβώς στη θεωρία του Maxwell για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Η πρόταση λοιπόν του άγνωστου αυτού επιστήμονα ήταν ικανή με μια αποφασιστική κίνηση, να ενοποιήσει τις δύο θεωρίες πεδίου που ήταν τότε γνωστές στη Φυσική μέσω της μίξης τους στην πέμπτη διάσταση. Επρόκειτο για μια καθαρά γεωμετρική θεωρία ενοποίησης. Η διάσπαση της θεωρίας του Kaluza από πέντε σε τέσσερις διαστάσεις έδινε πάλι πίσω τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού και της βαρύτητας, κάνοντας τον Αϊνστάιν να πιστέψει ότι ο λόγος για αυτό ήταν η ύπαρξη ενός μεγαλύτερου πραγματικού οικοδομήματος σε πέντε διαστάσεις που τις ενσωματώνει.

Ο Αϊνστάιν εντυπωσιάστηκε τόσο πολύ από το άρθρο του Kaluza που χρειάστηκε αρκετό καιρό για να το σχολιάσει. Επίσης καθυστέρησε τη δημοσίευση του για μια περίοδο δύο ετών κατά την οποία προσπαθούσε να εξοικειωθεί με την προσέγγιση που περιγραφόταν σε αυτό. Τελικά έδωσε τη συγκατάθεση του και το άρθρο δημοσιεύθηκε στο δελτίο της η ρωσικής Ακαδημίας των Επιστημών με τον τίτλο: «Σχετικά με το πρόβλημα της ενότητας στη Φυσική»...



Πού κρύβεται η 5η διάσταση;

Πριν συνεχίσουμε, ας κάνουμε μια διακοπή να θυμηθούμε σε τι κατηγορούν οι Αθεϊστές τους πιστούς, ως προς την πίστη τους σε έναν αόρατο Θεό, και αόρατες άλλες οντότητες. Μας κατηγορούν για "σοφιστείες", και ότι δήθεν πάμε να "κρύψουμε" τον Θεό πίσω από κενά που δεν μπορεί ακόμα να ανακαλύψει η επιστήμη, κάτι που δήθεν η Επιστήμη "απάντησε" μέσω της θεωρίας των Χορδών! Ας δούμε όμως τη συνέχεια του άρθρου, και θα καταλάβουμε πολλά...:

...

Ήταν η πρώτη φορά που σε επίσημα δημοσιευμένη εργασία πρότεινε κάποιος συγκεκριμένη χρήση για την τέταρτη χωρική διάσταση: την ενοποίηση των νόμων της Φυσικής.

Το εύλογο ερώτημα ήταν πού ακριβώς βρίσκεται η πέμπτη διάσταση και γιατί δεν είχε παρατηρηθεί μέχρι τότε. Και για αυτό το θέμα ο Kaluza είχε να προτείνει μια σχετική λύση υποθέτοντας ότι η επιπλέον αυτή χωρική διάσταση ήταν «τυλιγμένη» με ακτίνα καμπυλότητας πάρα πολύ μικρή για να μπορεί να μετρηθεί. Στη σχετική εικόνα αναπαρίσταται και εξηγείται περαιτέρω η ιδέα αυτή για την τυλιγμένη χωρική διάσταση.

Η χωρική υφή του σύμπαντος πιθανώς να εμπεριέχει περισσότερες από τρεις διαστάσεις οι οποίες όμως να ανήκουν στην κατηγορία των τυλιγμένων και δύσκολων στην παρατήρηση τους οντοτήτων. Η υπόθεση αυτή που εμπεριέχεται με σχετικά ασαφή τρόπο στην εργασία του Kaluza γίνεται αρκετά πιο εμφανής και πιθανή με την εργασία του Oskar Klein το 1926 ο οποίος προσπαθεί να ποσοτικοποιήσει κάποια από τα χαρακτηριστικά της θεωρίας του Kaluza καθώς και να γεφυρώσει κάπως το χάσμα ανάμεσα στην ενοποιημένη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού και της βαρύτητας με την κβαντική θεωρία που τότε πια βρισκόταν στο απόγειο της ανάπτυξης της. Η ουσία της πρότασης των Kaluza και Klein είναι ότι το Σύμπαν χαρακτηρίζεται από τις γνωστές τρεις χωρικές διαστάσεις που είναι εκτεταμένες και αποτελούν τη σκηνή για τα φυσικά δρώμενα που παρατηρούνται καθημερινά αλλά ότι οι διαστάσεις αυτές συμπληρώνονται και από μια ακόμα μικρή σε έκταση και τυλιγμένη διάσταση στο πλαίσιο της οποίας το φως αποτελεί μια γεωμετρική διαταραχή. Αν η επιπλέον τυλιγμένη διάσταση του σύμπαντος είναι αρκετά μικρή όσον αφορά την ακτίνα του κύκλου που σχηματίζει κατά το τύλιγμα της, δεν θα ήταν δυνατή η άμεση ανίχνευση της ακόμα και με τα ισχυρότερα μεγεθυντικά όργανα που υπάρχουν σήμερα. Η τυλιγμένη αυτή διάσταση δεν είναι μια μορφή κυκλικού αντικειμένου στον χώρο όπως αναπόφευκτα δείχνουν οι προσπάθειες να απεικονιστεί. Πρόκειται για μια εντελώς ξεχωριστή διάσταση που χαρακτηρίζει κάθε σημείο του χώρου ακριβώς όπως οι γνωστές διαστάσεις ύψους, μήκους και πλάτους. Στην ανεξάρτητη αυτή διάσταση θα μπορούσε να κινηθεί ένας παρατηρητής εφόσον ήταν αρκετά μικρός. Κατ' επέκταση, ο προσδιορισμός της θέσης ενός σημείου στον χωροχρόνο Kaluza Klein απαιτεί τις συνηθισμένες τρεις χωρικές συντεταγμένες, τη χρονική συντεταγμένη και μια ακόμα συντεταγμένη για τη θέση του σημείου στην τυλιγμένη διάσταση, ανεβάζοντας τον τελικό αριθμό σε πέντε συντεταγμένες.

Πόσο μικρή είναι όμως η έκταση της κυκλικής αυτής διάστασης; Οι σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες επιτρέπουν την ανίχνευση δομών μεγέθους μέχρι ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου. Εφόσον η επιπλέον χωρική διάσταση είναι τυλιγμένη σε μέγεθος μικρότερο από αυτή την τιμή, δεν είναι δυνατόν να ανιχνευθεί, τουλάχιστον όχι με άμεση παρατήρηση. Η εργασία του Klein προσέφερε ενδείξεις ότι το μέγεθος της τυλιγμένης διάστασης μπορεί να είναι της τάξης του μήκους του Planck (1,616 χ 10-33 εκατοστά), μέγεθος δηλαδή κατά πολύ μικρότερο από αυτό που μπορεί να παρατηρηθεί σήμερα. Εάν ο υπολογισμός αυτός είναι σωστός, είναι αμφίβολο αν θα γίνει δυνατή η σχετική άμεση παρατήρηση και μέτρηση στο εγγύς μέλλον.



Για την ανίχνευση δομών στο επίπεδο μεγέθους των (υπέρ)χορδών απαιτούνται τεράστια ποσά ενέργειας. Με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα θα απαιτούντο κυκλικοί επιταχυντές με ακτίνα αρκετών δεκάδων ετών φωτός για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο. Όπως έχει ειπωθεί χαρακτηριστικά (και με κάποια ειρωνική διάθεση), για να παρατηρηθούν χορδές θα αρκούσε ίσως ένας επιταχυντής με μέγεθος ικανό να συμπεριλάβει το ηλιακό σύστημα, όπως αυτός που παρουσιάζεται στην καλλιτεχνική απεικόνιση.

Η θεωρία Kaluza Klein, παρόλη την αισθητική της κομψότητα και τη δυνατότητα ενοποίησης που προσέφερε για δύο από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, βρέθηκε ήδη εκτός «παιχνιδιού» από το 1930. Οι λόγοι για αυτό ήταν πολλοί: Η ύπαρξη της πέμπτης διάστασης ήταν κάτι που απασχολούσε έντονα τους φυσικούς αφού τα συμπεράσματα του Klein σήμαιναν ότι η άμεση παρατήρηση (ιδιαίτερα με την τεχνολογία του 1930) ήταν εντελώς ανέφικτη. Η θεωρία δεν μπόρεσε επίσης να ενσωματώσει τις νεότερες εξελίξεις της κβαντικής θεωρίας που προσέφεραν μια εικόνα των αλληλεπιδράσεων μέσω της ανταλλαγής ενεργειακών πακέτων. Τελικά η μεγάλη πλειοψηφία των ερευνητών φυσικών προτίμησε να ασχοληθεί με την πολλά υποσχόμενη κβαντική θεωρία που μόλις είχε αρχίσει να δείχνει μια διαφορετική, αλλά ιδιαίτερα επιτυχημένη όσον αφορά τις προβλέψεις της, άποψη για τη φύση. Η ιδέα όμως των επιπλέον χωρικών διαστάσεων ως αναπόσπαστων στοιχείων μιας θεωρίας ενοποίησης φαίνεται πως ήταν υψίστης σημασίας, καθώς τα περισσότερα από τα μοντέλα ενοποίησης έκτοτε (καθώς και η θεωρία (υπέρ)χορδών που αποτελεί σήμερα τον καλύτερο υποψήφιο) τις εμπεριέχουν. Αυτό άλλωστε αποτελεί και τη βαθύτερη σημασία της θεωρίας Kaluza Klein και για αυτό έγινε αναλυτικότερη αναφορά σε αυτήν.

…



Κλίμακες μεγεθών στον μικρόκοσμο. Από το μέγεθος ενός ιού (που βρίσκεται μόλις έξω από το όριο οπτικής παρατήρησης των μικροσκοπίων) προχωρούμε στο μοριακό μέγεθος και σύντομα στο τυπικό μέγεθος του ατόμου (κατεβαίνοντας δύο και τρεις τάξεις μεγέθους αντίστοιχα). Ο ατομικός πυρήνας είναι περίπου τέσσερις τάξεις μεγέθους μικρότερος από το άτομο ενώ τα νουκλεόνια έχουν τυπικά το ένα δέκατο του μεγέθους του πυρήνα. Για να μπορέσουν οι ερευνητές να μελετήσουν τις ιδιότητες των κουάρκ πρέπει να εξασφαλίσουν τη δυνατότητα παρατήρησης σε κλίμακες κατά τρεις τουλάχιστον τάξεις μεγέθους μικρότερες από αυτές των νουκλεονίων. Υπό αυτή την έννοια, φαντάζει σχεδόν απίθανο να επιτευχθεί ποτέ η άμεση παρατήρηση στο επίπεδο κλίμακας που βρίσκονται οι (υπερ)χορδές δηλαδή τα 10-34 μέτρα.

Επιστρέφοντας στον σχολιασμό, έχουμε μία επιστημονική θεωρία (που εν λόγω Αθεϊστές μας παρουσιάζουν ως πανάκεια), η οποία προβλέπει μία (τουλάχιστον) ακόμα διάσταση, η οποία όμως είναι... ΚΡΥΜΜΕΝΗ! Και είναι τόσο καλά κρυμμένη, που για να γίνει αντιληπτή, θα έπρεπε να φτιάξουμε έναν επιταχυντή σωματιδίων, μεγαλύτερο από το... Ηλιακό μας Σύστημα!

Παρ' όλα αυτά, ΔΕΝ τους ενοχλεί αυτή η τόσο καλά κρυμμένη διάσταση, ούτε η αδυναμία της σημερινής επιστήμης να την εντοπίσει. Κατηγορούν όμως τους πιστούς, ότι "κρύβουμε" τον Θεό και τις αόρατες οντότητες στις οποίες πιστεύουμε, "σε κενά άγνοιας της επιστήμης"!

Σκεφθείτε όμως, ότι εμείς ΔΕΝ δημιουργήσαμε θεωρίες για τον Θεό, με βάση την επιστήμη. Αντιθέτως! Πιστεύουμε ότι ο Θεός ΑΠΟΚΑΛΥΦΘΗΚΕ ο Ίδιος σ' εμάς, και μας ΦΑΝΕΡΩΘΗΚΕ, και μάλιστα ΠΟΛΥ ΠΡΙΝ η Επιστήμη αρχίσει την πειραματική της επαλήθευση! Και στο διάστημα αυτό ΔΕΝ ΑΛΛΑΞΑΜΕ ΤΙΠΟΤΑ ως προς την αντίληψή μας για τον Θεό και τη Θεολογία μας. Παρ' όλα αυτά, η επιστήμη, εξακολουθεί να συμφωνεί με την πίστη μας σε "αόρατες οντότητες", και στην πίστη μας, ότι "είναι αδύνατον να γίνει μια πλήρης θεώρηση του κόσμου χωρίς τον Θεό"!

Μάλιστα οι Αθεϊστές αυτοί, δέχονται την εν λόγω θεωρία, έστω και αναπόδεικτη πειραματικά, με "κρυφές διαστάσεις", που είναι αδύνατον προς το παρόν (και προς το άμεσο μέλλον) να εντοπισθούν, και που όχι μόνο δημιουργήθηκε ΚΑΙ ΔΙΑΡΚΩΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΖΕΤΑΙ με τις εκάστοτε συνθήκες, αλλά και που ΠΟΤΕ δεν φανερώθηκε πρακτικά, όπως πρακτικά φανερώθηκε σ' εμάς τους πιστούς ο Θεός και αποκαλύφθηκε!

Ας συνεχίσουμε όμως την εξέταση και το σχολιασμό μερικών ακόμα σημείων του εν λόγω άρθρου που εξετάζουμε:



Υπερχορδές: Ένα "πασπαρτού" θεωριών

...Οι θεωρία των Kaluza Klein παρέμεινε σε ληθαργική κατάσταση για περίπου πενήντα χρόνια. Στο διάστημα αυτό η έρευνα στη Φυσική αφορούσε σχεδόν αποκλειστικά τη δημιουργία και μελέτη της κβαντικής έκδοσης των αλληλεπιδράσεων, προσπαθώντας να επιτύχει την ενοποίηση τους μέσω των κβαντικών θεωριών πεδίου. Η πολύχρονη αυτή προσπάθεια απέδωσε τελικά καρπούς με αποτέλεσμα το λεγόμενο πρότυπο μοντέλο της Φυσικής το οποίο περιγράφει μέσω ενός κοινού φορμαλισμού τον ηλεκτρομαγνητισμό και την ισχυρή και ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση. Μόνο η βαρύτητα αντιστέκεται σθεναρά στις προσπάθειες των φυσικών για τον κατακερματισμό της και την περιγραφή της μέσω της κβαντικής θεώρησης. Κατά τη δεκαετία 1980 - 1990 η κατάσταση είχε αρχίσει πια να παρουσιάζει την κινητικότητα τέλματος. Δεν εισαγόταν ουσιαστικά καμία καινούργια ιδέα και τα πειραματικά δεδομένα επιβεβαίωναν απλώς τα πορίσματα του πρότυπου μοντέλου σε νέες συνθήκες. Αυτό δεν θα ήταν απαραίτητα κακό αν το πρότυπο μοντέλο περιελάμβανε και τη βαρύτητα και αν έδινε την αίσθηση μιας πληρέστερης θεωρίας (στην πραγματικότητα το πρότυπο μοντέλο χαρακτηρίζεται από έναν μεγάλο αριθμό ελεύθερων παραμέτρων, 19 τον αριθμό, κάτι που πείθει τους φυσικούς ότι πρόκειται απλώς για μια καλή προσέγγιση μιας ευρύτερης θεωρίας που δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί).

Έχοντας δοκιμάσει κάθε πιθανή προσέγγιση στο πρόβλημα της ενοποίησης της κβαντικής βαρύτητας με τις υπόλοιπες αλληλεπιδράσεις στην κβαντισμένη τους έκδοση και έχοντας αποτύχει, ορισμένοι φυσικοί άρχισαν να επανεξετάζουν τη μέχρι τότε ξεχασμένη ιδέα της ενοποίησης σε χώρους πολλαπλών διαστάσεων. Η κατάσταση το 1980 ήταν αρκετά πιο περίπλοκη σε σχέση με το 1930 διότι ο αριθμός των αλληλεπιδράσεων που έπρεπε να ενοποιηθούν ήταν μεγαλύτερος (τέσσερις αντί για δύο) και η δομή τους πιο πολύπλοκη. Αναπόφευκτα το γεγονός αυτό οδήγησε στην αναγκαιότητα επέκτασης σε αριθμό διαστάσεων μεγαλύτερο των πέντε της αρχικής θεωρίας των Kaluza Klein.



Αναπαράσταση της αλληλεπίδρασης δύο σωματιδίων ανάλογα με τη φυσική θεωρία που περιγράψει το φαινόμενο. Παρατηρώντας την αλληλουχία από το επάνω μέρος της εικόνας διακρίνονται: 1) μια μορφή κλασικής ελαστικής σύγκρουσης όπου τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν μπάλες μπιλιάρδου, 2) μια μη ελαστική σκέδαση κατά την οποία η ταυτότητα των σωματιδίων μπορεί να αλλάξει, 3) οι προηγούμενες μορφές αλληλεπίδρασης στη γλώσσα των κβαντικών θεωριών πεδίου όπου η αλληλεπίδραση καθορίζεται από την ανταλλαγή ενός σωματιδίου με συγκεκριμένες ιδιότητες ανάλογα με την περίπτωση, 4) στη γλώσσα της θεωρίας χορδών, τα αλληλεπιδρώντα σωματίδια είναι ουσιαστικά δύο χορδές που ταλαντώνονται, δημιουργούν μια διαφορετική χορδή λόγω της αλληλεπίδρασης τους και αυτή με τη σειρά της διαχωρίζεται σε δύο νέες χορδές, 5) λαμβάνοντας υπόψη και τη χρονική αλληλουχία της αλληλεπίδρασης των χορδών, αυτές σχηματίζουν αντίστοιχα κοσμικές επιφάνειες. Η δομή του μετρικού τανυστή επιτρέπει με τον τρόπο αυτό την εισαγωγή όλων των νέων πεδίων από πλευράς μεγέθους. Το μέχρι σήμερα αποτέλεσμα της κριτικής αυτής επανεξέτασης των αρχών προσέγγισης της Φυσικής και της αναβίωσης των θεωριών πολλαπλών διαστάσεων είναι η θεωρία των (υπέρ)χορδών. Βάσει της θεωρίας αυτής, τα σωματίδια που παρατηρούνται στη φύση και που μέχρι σήμερα θεωρούνται θεμελιώδη, στην πραγματικότητα δεν είναι.

Τα σωματίδια αυτά προκύπτουν ως απεικόνιση στον τρισδιάστατο χώρο των ταλαντώσεων από απειροελάχιστες σε μέγεθος χορδές οι οποίες (σύμφωνα με τη θεωρία) αποτελούν το βασικό δομικό στοιχείο του Σύμπαντος. Οι διαφορετικοί τρόποι ταλαντώσεων των χορδών αυτών στις εκτεταμένες αλλά και στις «κρυφές» διαστάσεις που προβλέπονται από τη θεωρία, «γεννούν» τα διάφορα είδη σωματιδίων που παρατηρούνται στη φύση. Προφανώς η μελέτη των ταλαντώσεων αυτών (η σωστότερα στάσιμων κυμάτων τα οποία εμφανίζονται στις χορδές) ακολουθεί μια συγκεκριμένη μαθηματική περιγραφή η οποία στη λεπτομέρεια της είναι ιδιαίτερα περίπλοκη. Γεγονός όμως παραμένει πως εφόσον σε ορισμένες μαθηματικές ιδιότητες της κίνησης και ταλάντωσης των χορδών δοθεί φυσικό νόημα, τα πορίσματα της θεωρίας είναι εντυπωσιακά.

Όσο εκπληκτικό και αν ακούγεται αυτό, η θεωρία χορδών είναι η μόνη θεωρία μέχρι σήμερα που έχει καταφέρει (σε θεωρητικό τουλάχιστον επίπεδο) να περιγράψει μέσω ενός κοινού μαθηματικού πλαισίου τα σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις του πρότυπου μοντέλου της σωματιδιακής Φυσικής (ως τις μικρότερης τάξης ταλαντώσεις των χορδών) αλλά και την καμπύλωση του χωροχρόνου, ακριβώς όπως προβλέπει η γενική σχετικότητα, μέσω της κίνησης των χορδών. Δηλαδή βαρύτητα και κβαντική Φυσική περιγράφονται από κοινού και μάλιστα με τρόπο ο οποίος δεν παρουσιάζει απειρισμούς που να απαιτούν τεχνικές όπως η επανακανονικοποίηση για να επιτρέψουν τους υπολογισμούς των φυσικών ποσοτήτων.

Ένα από τα βασικά προβλήματα τα οποία αντιμετωπίζει σήμερα, σε ιδεολογικό τουλάχιστον επίπεδο, η θεωρία χορδών είναι πως επιδέχεται πάρα πολλές λύσεις. Όπως έχουν προσδιορίσει οι ερευνητές, υπάρχουν τρισεκατομμύρια κόσμοι (οι λύσεις της θεωρίας εμβέλειας Σύμπαντος) οι οποίοι περιγράφονται από τη θεωρία χορδών και οι οποίοι δεν μοιάζουν καθόλου με τον φυσικό κόσμο τον οποίο παρατηρούμε. Για αυτούς τους παράλληλους κόσμους η θεωρία προβλέπει διαφορετικά θεμελιώδη σωματίδια και σε μικρότερο η μεγαλύτερο βαθμό διαφορετικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους (άρα και διαφορετικούς νόμους της Φυσικής). Ταυτόχρονα όμως, υπάρχει και ένας μεγάλος αριθμός λύσεων της θεωρίας χορδών οι οποίες αντιστοιχούν σε κόσμους ιδιαίτερα όμοιους με αυτόν που παρατηρούμε γύρω μας. Το πρόβλημα είναι πως κανείς από τους ερευνητές δεν μπορεί να επιλέξει τη σωστή λύση ανάμεσα στις πιθανές για την περιγραφή το. Φυσικού κόσμου. Σε θεωρητικό επίπεδο δεν έχει βρεθεί ακόμα κάποια ιδιότητα η συμμετρία η χαρακτηριστικό της θεωρίας το οποίο θα μπορούσε να λειτουργήσει ενδεικτικά για τη λύση την οποία επιθυμούν να προσδιορίσουν οι επιστήμονες. Σε πειραματικό επίπεδο, η θεωρία χορδών είναι κατά κάποιον τρόπο «θύμα» του πεδίου εφαρμογών της. Καθώς αναφέρεται σε δομές (τις υπερχορδές) οποίες χαρακτηρίζονται από εξαιρετικά μικρό μέγεθος, της τάξης του μήκους Planck (10-34 μέτρα) δεν είναι δυνατή ούτε κατά διάνοια η άμεση παρατήρηση τους. Για να γίνει αντιληπτό το πόσο μικρό είναι αυτό το μέγεθος, αρκεί να λάβει κανείς υπόψη την ακόλουθη αναλογία: μια (υπέρ)χορδή είναι πιο μικρή από ένα πρωτόνιο σε έναν ατομικό πυρήνα, όσο μικρότερος είναι ο πυρήνας αυτός από έναν άνθρωπο! Τα προβλήματα της θεωρίας όσον αφορά την πειραματική της επαλήθευση δεν σταματούν εδώ.

Πέρα από την αδυναμία άμεσης παρατήρησης των φυσικών δομών οι οποίες τη χαρακτηρίζουν, η θεωρία των χορδών δεν έχει κατορθώσει ακόμα να παρουσιάσει κάποια πρόβλεψη η οποία να μπορεί να ελεγχθεί πειραματικά από τους επιταχυντές σωματιδίων και μέσω αυτής να μπορεί να αποδειχθεί η ύπαρξη και ορθότητα της έστω και έμμεσα. Σε αντίθεση, στο επίπεδο της Φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων τα δεδομένα από τη νέα γενιά πειραμάτων αναμένονται με ανυπομονησία για ενδείξεις φυσικών δομών και διαδικασιών πέρα από το πρότυπο μοντέλο οι οποίες θα μπορούσαν να ρίξουν περισσότερο φως στις επιλογές της θεωρίας χορδών. Ορισμένα αποτελέσματα «εξωτικής» Φυσικής, εφόσον παρατηρηθούν, θα μπορούσαν να αποτελέσουν ενδείξεις για τη θεωρία των χορδών, όχι όμως και αποδείξεις.

Όπως επισημαίνεται από αρκετούς ερευνητές, αυτά δεν είναι τα επιθυμητά χαρακτηριστικά μιας πλήρους έκφρασης της θεωρίας των Πάντων, η οποία δεν μπορεί ακόμα τουλάχιστον να ταυτιστεί με τη θεωρία των χορδών. Υπέρ της θεωρίας όμως τάσσονται επίσης πολλοί επιστήμονες και από τις τάξεις των ερευνητών του χώρου. Τα κύρια επιχειρήματα τα οποία αντιτείνουν αναφέρονται στη μαθηματική δομή και «ομορφιά» της θεωρίας, στις ιδιότητες ενοποίησης τις οποίες έχει ήδη δείξει ότι διαθέτει (και είναι η μόνη θεωρία που έχει επιτύχει κάτι παρόμοιο) καθώς και στην αναμφισβήτητη ευρύτητα της. Όπως αναφέρεται από πολλούς ερευνητές, η θεωρία χορδών είναι μια θεωρία του 21ου αιώνα με την οποία η επιστημονική κοινότητα βρέθηκε αντιμέτωπη νωρίτερα από όσο θα έπρεπε. Για την κατανόηση της χρειάστηκε η ανάπτυξη νέων μαθηματικών μεθόδων καθώς και ριζικά διαφορετικής φυσικής διαίσθησης από τους επιστήμονες. Όπως πολλοί υποστηρίζουν, η πειραματική επιβεβαίωση της δεν θα αργήσει να έλθει.



Επίλογος

Κατά μία προσέγγιση, η όλη εξέλιξη της επιστημονικής έρευνας και δραστηριότητας είναι μια πορεία προς την ενοποίηση θεωριών και τρόπων περιγραφής του φυσικού κόσμου. Στο εγχείρημα αυτό έχει αφιερωθεί ένα σημαντικό μέρος του έμψυχου και άψυχου επιστημονικού δυναμικού και είναι γεγονός πως έχουν επιτευχθεί ορισμένα εντυπωσιακά αποτελέσματα. Το κατά πόσον υπάρχει πραγματικά μια «τελική» θεωρία και τι πραγματικό αντίκτυπο θα έχει ο προσδιορισμός της για την εξέλιξη της επιστημονικής σκέψης δεν είναι δυνατόν να απαντηθεί από κανέναν σήμερα. Αυτό που χαρακτηρίζει τον επιστημονικό κόσμο είναι οι απόψεις των μελών του υπέρ η κατά της σχετικής αυτής έρευνας και φυσικά υπέρ η κατά της τελευταίας υποψήφιας θεωρίας για την περίοπτη αυτή θέση: της θεωρίας των χορδών. Πέρα από τα εντυπωσιακά χαρακτηριστικά και τις δυνατότητες της, ακόμα και αν αυτή αποδειχθεί κάποτε πως είναι πράγματι η τελική θεωρία, αξίζει να θυμάται κανείς πως κάτι τέτοιο δεν είναι εφικτό σήμερα και δεν φαίνεται πώς θα συμβεί στο άμεσο μέλλον. Απαιτείται αρκετή ακόμα υπομονή πριν αποδειχθεί αν είναι δυνατή η όχι η διατύπωση μιας τελικής «Θεωρίας των Πάντων».



Πιστεύουμε ότι ήδη είναι προφανές αυτό που θέλουμε να πούμε, σχολιάζοντας το άρθρο αυτό. Έχουμε κάποιους ανθρώπους, (Αθεϊστές), που έχουν τόση τύφλωση και προκατάληψη κατά της πίστης στον Θεό, που:

1. Μας παρουσιάζουν μία θεωρία ΕΝΤΕΛΩΣ ΑΝΑΠΟΔΕΙΚΤΗ ΚΑΙ ΕΛΛΕΙΠΗ ΑΚΟΜΑ, ως δήθεν "ακύρωση της ανάγκης ύπαρξης του Θεού", ο Οποίος όμως ΦΑΝΕΡΩΘΗΚΕ ΚΑΙ ΦΑΝΕΡΩΝΕΤΑΙ καθημερινά στους πιστούς!

2. Κατηγορούν τους πιστούς ότι δήθεν "κρύβουμε τον Θεό σε σημεία που η επιστήμη ακόμα δεν μπορεί να ερευνήσει", όταν η ίδια αυτή η θεωρία που μας παρουσιάζουν, κάνει ακριβώς αυτό: Προβλέπει "κρυμμένες διαστάσεις", εκεί που όχι μόνο δεν μπορούμε να δούμε αλλά ούτε στο μέλλον δεν θα μπορούμε!

3. Μας κατηγορούν ότι δήθεν "διαμορφώνουμε ευέλικτες θεωρίες περί Θεού, για να ταιριάζουν με τις εκάστοτε ανακαλύψεις της επιστήμης", όταν εμείς έχουμε ΣΤΑΘΕΡΗ ΚΑΙ ΠΑΓΙΩΜΕΝΗ ΘΕΣΗ για τον Θεό, διατυπωμένη ΠΡΙΝ βγουν τα εν λόγω πορίσματα της επιστήμης! Ενώ αντίθετα, η θεωρία που μας προτείνουν ως "λύση", είναι τόσο ευέλικτη, που οι αμέτρητες λύσεις της, μπορούν να ταιριάξουν με αμέτρητα "σύμπαντα", ακόμα και ΑΝΥΠΑΡΚΤΑ!

4. Μας κατηγορούν ότι πιστεύουμε σε αναπόδεικτες αόρατες οντότητες, όταν η θεωρία που μας προτείνουν, προβλέπει ΚΑΤ' ΕΞΟΧΗΝ τέτοιες διαστατικές οντότητες, που είναι αδύνατον να εντοπισθούν!

5. Μας κατηγορούν για "αντιεπιστημονικότητα", επειδή δήθεν πιστεύουμε στον Θεό λόγω της "ομορφιάς" που νιώθουμε λόγω της πίστης μας, όταν η ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ αυτή θεωρία, γίνεται αποδεκτή από τους επιστήμονες (σύμφωνα με το άρθρο που προαναφέραμε), "Τα κύρια επιχειρήματα τα οποία αντιτείνουν αναφέρονται στη μαθηματική δομή και «ομορφιά» της θεωρίας, στις ιδιότητες ενοποίησης τις οποίες έχει ήδη δείξει ότι διαθέτει ... καθώς και στην αναμφισβήτητη ευρύτητα της" !!! Με άλλα λόγια, αυτό για το οποίο μας χαρακτηρίζουν "αντιεπιστημονικούς", είναι το κύριο επιχείρημα της... Επιστημονικότατης θεωρίας των Υπερχορδών, που βρίσκεται στην αφρόκρεμα της Φυσικής! "Ομορφιά" και "ευελιξία"!



Στο άρθρο αυτό, δεν κάναμε τίποτα περισσότερο, από το να μετρήσουμε την πιο προηγμένη Επιστημονική Θεωρία της Φυσικής, με τα ίδια μέτρα και σταθμά με τα οποία ορισμένοι μετρούν την πίστη στον Θεό. Τι λέτε; Μετρούν σωστά ή "κλέβουν";

H Καταγωγή και η εξέλιξη του ανθρώπινου γένους.

H ιστορία της καταγωγής και εξέλιξης του ανθρώπινου γένους γράφεται με τα απολιθωμένα απομεινάρια που συνεχώς ανακαλύπτονται από τους ερευνητές ανθρωπολόγους στα διάφορα μέρη της Γης. Κάθε καινούριο απολίθωμα προσθέτει και μια νέα σελίδα άγνωστη μέχρι σήμερα ή συμπληρώνει τα κενά μιας άλλης σελίδας από την ιστορία της καταγωγής και της εξέλιξης που δεν είχε καλά φωτισθεί με τις υπάρχουσες γνώσεις.


Οι μελέτες των ζωικών οργανισμών που ζουν σήμερα δεν μας παρέχουν πληροφορίες γύρω από το είδος που διακλαδίζει μια εξελικτική γραμμή καταγωγής ή κάποιας γενομένης εξαφάνισης. Ούτε αυτοί οι οργανισμοί μας λένε πώς ένα είδος που υπάρχει σήμερα μετασχηματίζεται στην παρούσα μορφή του μέσα στα εκατομμύρια χρόνια της εξέλιξης του, μήτε ακόμη μας λένε ποιες ήταν οι ενδιάμεσες μορφές από αυτές που παρουσιάζονται σήμερα.

Για τους λόγους αυτούς τα απολιθώματα αποτελούν τα μοναδικό αποδεικτικά στοιχεία της προϋπάρχουσας ζωής και της σύνδεσης της με τους σημερινούς ζώντες οργανισμούς.

Είναι αλήθεια ότι τα απολιθώματα της ανθρώπινης εξέλιξης είναι ακόμη σε τμήματα, παρά το γεγονός ότι τις τελευταίες δεκαετίες έχουν πραγματοποιηθεί ανακαλύψεις μεγάλης σπουδαιότητας και ακόμη απολιθώματα από τα πρώτα στάδια της ανθρώπινης εξέλιξης δεν είναι και τόσο ευδιάκριτα από εκείνα των προγόνων του σημερινού γορίλλα και χιμπατζή.

Οι πρώτοι πρόγονοι ανθρωποειδών πιθήκων είναι πολύ πιθανό να υπήρξαν μεταξύ μιας ομάδας ζώων γνωστών σαν Δρυοπίθηκοι (Dryopithecines), που αντιπροσωπεύονται από ένα μεγάλο αριθμό απολιθωμάτων τα οποία χρονολογούνται από 10 μέχρι 25 εκατομμύρια χρόνια πριν και έχουν βρεθεί στην Ευρώπη, Ασία και Αφρική. Οι απολιθωμένες μορφές των Δρυοπιθήκων παρουσιάζουν είδη με διαστάσεις από το μικρό χιμπατζή μέχρι το μεγάλο γορίλλα. Των δειγμάτων αυτών τα δόντια είναι πολύ όμοια με εκείνα των σύγχρονων ανθρωποειδών πιθήκων, ενώ το σχήμα και οι αναλογίες των ποδιών τους είναι πολύ όμοια με εκείνα των σημερινών πιθήκων.

H μετακίνηση των Δρυοπιθήκων δεν ήταν όπως αυτή των εξελιγμένων ανθρωποειδών πιθήκων π.χ. αιώρηση στα κλαδιά, ημιόρθια και όρθια στα δύο πόδια, αυτός ο τρόπος μετακίνησης εμφανίστηκε αργότερα μάλλον.

Μια μορφή Δρυοπιθήκων, γνωστή αρχικά από σιαγώνες και δόντια απολιθωμένα και που χρονολογήθηκαν γύρω στα 14 εκατομμύρια χρόνια, βρέθηκε στην Ινδία και την Αφρική. Οι Δρυοπίθηκοι αυτοί είναι γνωστοί σαν Ραμαπίθηκοι. Οι οργανισμοί αυτοί ήσαν μάλλον μικροί — περίπου στο μέγεθος ενός μικρού παιδιού ηλικίας 5 ή 6 ετών — και είχαν μικρότερο ρύγχος από τους άλλους Δρυοπίθηκους. Το γεγονός ότι είχαν μικρά δόντια μάς βεβαιώνει ότι οι βραχίονες και τα άκρα χέρια χρησιμοποιούντο αντί δοντιών προς εκδήλωση οργής και άμυνας. H χρησιμοποίηση των βραχιόνων και άκρων χεριών για τέτοιους σκοπούς προϋποθέτει ότι ο Ραμαπίθηκος μπορεί να περπατούσε και όρθιος. Αυτό το σκεπτικό οδήγησε μερικούς ανθρωπολόγους να ταξινομήσουν το Ραμαπίθηκο στην οικογένεια των ανθρώπων — Ανθρωπίδες, Anthropidae — παρά με τους ανθρωποειδείς πιθήκους — Πογγίδες, Pongidae —. H γεωλογική έρευνα ορισμένων αποθέσεων του Ραμαπίθηκου και απολιθωμένων ζώων και φυτών που βρέθηκαν μεταξύ των υπολειμμάτων του, φανερώνουν μια ευρύτερη εξάπλωση κατοίκησης αυτού σε ήρεμους ποταμούς, περιστοιχιζόμενους από τροπικά δάση και λειβάδια. Για το Ραμαπίθηκο πιθανολογείται ότι μπορεί να υπήρξε στην κύρια γραμμή καταγωγής του ανθρώπου και μερικοί ανθρωπολόγοι τοποθετούν αυτόν σαν ένα των πρώτων μελών της οικογένειας του ανθρώπου.

H ταξινόμηση του Ραμαπίθηκου σαν ένα ανθρώπινο ον αμφισβητείται από μερικές αυθεντίες σε θέματα ταξινόμησης και τοποθετούν αυτόν με τους ανθρωποειδείς πιθήκους ενώ βλέπουν αυτόν σαν ένα Δρυοπίθηκο μη έχοντα ειδικές ομοιότητες με τους μετέπειτα ανθρώπους. H συζήτηση πιθανόν να συνεχισθεί μέχρις ότου περισσότερο βρεθούν συμπληρωμένα δείγματα του Ραμαπίθηκου.

H ταξινόμηση του Ραμαπίθηκου είναι περισσότερο περιπεπλεγμένη επειδή, εάν ο Ραμαπίθηκος θεωρηθώ σαν ένα ανθρώπινο ον, τότε ο διαχωρισμός ανθρώπου και ανθρωποειδών πιθήκων θα μπορούσε να έχει γίνει από 14 μέχρι 20 εκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την πίστη που βασίζεται σε άλλες μαρτυρίες ότι ο διαχωρισμός πραγματικά επέρχεται πάρα πολύ πρόσφατα από 5 μέχρι 10 εκατομμύρια χρόνια πριν.

Απαντήσεις στα ερωτήματα γύρω από τα περισσότερο πρωτόγονα όντα δεν μπορούν να δοθούν γιατί υπάρχει ένα μεγάλο κενό 3 μέχρι 4 εκατομμυρίων χρόνων στις Γεωλογικές αποδείξεις πριν από το επόμενο ανθρώπινο απολιθωμένο ον βρεθεί στις κατώτερες Πλειοκαινικές αποθέσεις στη Κένυα και την Αιθιοπία.

Το περισσότερο αξιοσημείωτο δείγμα που είχε επιστημονικά περιγραφεί, είναι ο Australopithecus afarensis που είναι περισσότερο γνωστό σαν «Λούση». Τη «Λούση» ανακάλυψε ο Dr. Jahansen στην έρημο Αφάρ της Αιθιοπίας, κοντά στην Ερυθρά θάλασσα και σε Γεωλογικά στρώματα που προσδιορίστηκαν ακριβώς σε 3,5 εκατομμύρια χρόνια παλαιότητας.

H «Λούση» είναι ένα καταπληκτικό δείγμα από πολλές απόψεις. Πρόκειται για το περισσότερο συμπληρωμένο δείγμα πριν από το Homo sapiens που έχει βρεθεί μέχρι σήμερα και περιλαμβάνει γύρω στα 60 τμήματα οστών, που αντιπροσωπεύουν κομμάτια από το κρανίο, την κάτω γνάθο, τους βραχίονες, τα πόδια, τη λεκάνη, τις πλευρές και τους σπόνδυλους.

H «Λούση» είναι αξιοσημείωτα ανθρώπινης κατασκευής. Το περισσότερο σημαντικό είναι ότι αυτή είχε όρθια στάση όπως μια σύγχρονη γυναίκα. H κάτω γνάθος και τα δόντια της είναι ανθρώπινα, δυστυχώς όμως τα λίγα οστά του κρανίου που υπάρχουν δεν μας επιτρέπουν να γνωρίζουμε ούτε το σχήμα αλλά ούτε το μέγεθος του κρανίου. Για το σώμα της γνωρίζουμε ότι ήταν μικρών διαστάσεων και όταν πέθανε ήταν πολύ αναπτυγμένη. Το ύψος της ήταν περίπου 1 μέτρο και το βάρος της πιθανόν από 22 μέχρι 30 κιλά, βέβαια το αρσενικό του είδους της θα ήταν πολύ περισσότερο.

H «Λούση» και οι συγγενείς της ήσαν σύγχρονοι με μερικά άλλα ανθρώπινα όντα ονομαζόμενα Australopithecus africanus που έχουν χαρακτηρισθεί ότι αποτελούν πρόγονους του γένους Homo. Από αυτά τα όντα φαίνεται δυνατόν ότι το είδος της «Λούση» αντιπροσωπεύει το τέλος μιας γραμμής διασταυρουμένων πληθυσμών Πρωτευόντων οργανισμών που εξελικτικά ευρίσκοντο κοντά στον Άνθρωπο και επεκτείνονταν πίσω στο Πλειόκαινο πλησίον των Ramapithecus και των συγγενών του.

Δεν αποκλείεται οι πρόγονοι της «Λούση» να έχουν δώσει το ξεκίνημα σε αμφότερους τους μετέπειτα Australopithecus και προς το Homo. Μερικά από τα δόντια και τις γνάθους, απολιθωμένα δείγματα αυτής της εποχής, είναι επίσης αρκετά όμοια προς εκείνα των συγχρόνων ανθρώπων. Το γεγονός αυτό οδήγησε μερικούς παλαιοανθρωπολόγους να πιστεύουν ότι ένα προγονικό είδος του Homo ήδη υπήρξε από τότε και μπορεί να ήταν υπεύθυνο για την κληροδότηση του είδους «Λούση».

Στη συνέχεια μια μεγάλη συλλογή απολιθωμένων ανθρώπινων όντων που βρέθηκαν στη Δυτική και Ανατολική Αφρική και χρονολογήθηκαν από 1 μέχρι 4 εκατομμύρια χρόνια πριν, μας έκανε γνωστούς τους Αυστρολοπίθηκους.

Δύο ευδιάκριτες μορφές Αυστραλοπιθήκων είναι γνωστές, η μικρότερη μορφή που είναι γύρω στα 1,30 μέτρα ύψος και 30 κιλά βάρος και η μεγαλύτερη μορφή με ύψος γύρω στα 1,50 μέτρα και βάρος γύρω στα 50 κιλά. H μικρότερη μορφή χαρακτηρίζεται σαν Gracile ενώ η μεγαλύτερη σαν Robustus.

Σύμφωνα με μερικούς ανθρωπολόγους η Robustus μορφή είναι το αρσενικό ενώ η Gracile μορφή είναι το θηλυκό του ίδιου είδους. H θέση τους στην ανθρώπινη εξέλιξη έχει δημιουργήσει πολλά προβλήματα και αβεβαιότητες. Υπάρχει η αντίληψη, ότι η μικρότερη μορφή των Αυστραλοπιθήκων — Gracile — αποτελείται από δύο είδη: Australopithecus africanus και το πρωτόγονο Australopithecus afarensis — μερικοί ανθρωπολόγοι πιστεύουν ότι ο A. afarensis είναι μια προηγούμενη μορφή του A. Africanus και συνεπώς αναγνωρίζουν ένα μόνον είδος — και η μεγαλύτερη μορφή αυτών — Robustus — αποτελείται από δύο ταυτόχρονα είδη, τον A. robustus και A. bosei. Χρονικά οι μικρότερες μορφές των Αυστραλοπιθήκων προηγούνται από εκείνες που είναι μεγαλύτερες.

Υπάρχουν ενδιαφέρουσες διαφωνίες γύρω από το πώς οι δύο μορφές των Αυστραλοπιθήκων συσχετίζονται μεταξύ τους. ‘ Έχουν προταθεί τέσσερες δυνατότητες σχετικά με τον A. africanus ο οποίος θα μπορούσε να είναι στην κύρια γραμμή της ανθρώπινης καταγωγής, στην κύρια γραμμή καταγωγής του Αυστραλοπίθηκου Robustus, σε αμφότερες τις γραμμές καταγωγής — στην περίπτωση αυτή ο A. africanus θα μπορούσε να χωρισθεί σε δύο είδη, ή σε καμιά γραμμή καταγωγής — στην περίπτωση αυτή ο A. africanus θα μπορούσε να είναι μακριά επάνω σε δικό του κλάδο εξέλιξης.

Κάθε μια από τις τέσσερες αυτές πιθανότητες έχει τους δικούς της οπαδούς. Πάντως χωρίς αμφιβολία οι μικρότεροι Αυστραλοπίθηκοι είναι φανερά ευδιάκριτοι από τους μεγαλύτερους.

Από τα ίχνη της φθοράς των δοντιών υποστηρίζεται ότι ο A. africanus περιελάμβανε στο διαιτολόγιο του κρέας, ενώ οι A. robustus και A. bosei όχι. Υπάρχει ακόμη μαρτυρία ότι οι δύο μορφές των Αυστραλοπιθήκων προτιμούσαν κάπως διαφορετικά περιβάλλοντα. O Gracile τύπος προτιμούσε χέρσες, χλοώδεις σαβάννες, ενώ ο Robustus τύπος προτιμούσε πολύ υγρό περιβάλλον με υψηλή βλάστηση. Όποια και αν είναι η θέση των Αυστραλοπιθήκων στην ανθρώπινη εξέλιξη, είναι φανερό ότι η Robustus μορφή έχει εξαφανισθεί γύρω στο 1 εκατομμύριο χρόνια πριν.

H περίοδος από 2,2 μέχρι 1,6 εκατομμύρια χρόνια πριν έχει να παρουσιάσει έναν αριθμό απολιθωμάτων που είναι αντιπροσωπευτικά για το δικό μας γένος Homo και που τοποθετούνται στην κύρια γραμμή της ανθρώπινης καταγωγής. Πρόκειται για τα απολιθώματα του Homo habilis. O αντιπρόσωπος αυτός ήταν ένα μεγαλύτερο ον από τον A. africanus, κατά μέσο όρο ζύγιζε 45 κιλά σε σύγκριση με τα 30 του A. africanus, και όπως φαίνεται με αυτόν η ανθρώπινη εξελικτική γραμμή έχει ήδη αρχίσει να αναπτύσσει τον ευδιάκριτο και μεγάλο εγκέφαλο. O H. habilis έχει μια κρανιακή χωρητικότητα που κυμαίνεται από 500 μέχρι 750 κυβ. εκατ. Βέβαια ο H. habilis είναι ο μεγάλος κατασκευαστής λίθινων εργαλείων στα οποία φαίνεται καθαρά η επιδεξιότητα του κατασκευαστή.

Εξέλιξη

H «Λούση» ή Australopithecus afarensis φαίνεται να είναι ο πιο μακρινός γενάρχης του σύγχρονου ανθρώπου αλλά και του αυστραλοπίθηκου.

Τον Homo habilis διαδέχεται ο Homo erectus, που έζησε κατά την περίοδο από 1,6 μέχρι 0,6 εκατομμύρια χρόνια πριν. To κρανίο του H. erectus γίνεται περισσότερο ανθρώπινο, το μέτωπο ορθώνεται, το πρόσωπο, οι γνάθοι και τα δόντια γίνονται μικρότερα. O H. erectus ήταν μεγαλύτερος από τον H. habilis, ζύγιζε περίπου 55 κιλά και η κρανιακή χωρητικότητα κυμαινόταν από 750 μέχρι 1200 κυβικά εκατοστά, σε σύγκριση με 1000 μέχρι 2000 κυβ. εκατ. του Homo sapiens. Οι μελέτες των οστών των κάτω άκρων έδειξαν ότι ο Homo erectus είχε μεγάλη ικανότητα να περπατάει όρθιος και οι αντίστοιχες των άνω άκρων έδειξαν ότι τα χέρια του ήταν ικανά για πάρα πολύ ακριβείς μικροχειρισμούς αντικειμένων.

O H.erectus είχε διαφορές με τους προγόνους του όχι μόνο στη μορφολογία αλλά ακόμη και στις προσαρμογές του. Έκανε μεγάλες προόδους στην κατασκευή των εργαλείων, στο κυνήγι μεγάλων ζώων και στη χρήση της φωτιάς και πιθανόν στο ντύσιμο του. Οι πρόοδοι αυτοί του επέτρεψαν να εισχωρήσει στις εύκρατες περιοχές της Ευρώπης και της Ασίας.

O H.erectus ήταν συνεπώς ένα πάρα πολύ επιτυχημένο είδος το οποίο ήλθε να καταλάβει τροπικές και εύκρατες περιοχές της Ευρασίας και της Αφρικής. Καθώς αυτός αντιμετώπιζε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες, το είδος διαφοροποιείται σε μια σειρά από γεωγραφικούς τύπους που ονομάστηκαν Γεωγραφικά υποείδη.

Πάρα πολλά ευρήματα του H. erectus έχουν συγκεντρωθεί από την Αφρική, Ιάβα, Κίνα και την Ευρώπη. Μετά από ένα μακρύ δρόμο εξέλιξης, κάπου ο H.erectus έδωσε το ξεκίνημα σε κάποια πρωτόγονη μορφή του H.sapiens. Γύρω στις 600 χιλιάδες χρόνια πριν, φαίνεται ότι η μετάβαση από τον H.erectus στον H. Sapiens είχε ήδη προχωρήσει.

Πάρα πολλοί επιστήμονες ερευνητές τοποθετούν τα πρώτα μέλη του δικού μας είδους σε ένα αρχικό υποείδος γνωστό σαν Homo sapiens neanderthalensis. Δείγματα από το υποείδος αυτό έχουν ανακαλυφθεί από πολλές μεριές σε ολόκληρο τον Παλαιό Κόσμο — Ευρασία, Αφρική —αν και τα περισσότερα απολιθώματα των πιο καλά διατηρημένων δειγμάτων προέρχονται από την Ευρώπη και τη Μέση Ανατολή το όνομα *όυ υποείδους προέρχεται από μια περιοχή της Γερμανίας —Νεάντερ— όπου βρέθηκε το πρώτο απολιθωμένο δείγμα ανθρώπινου κρανίου, το έτος 1856.

Οι πιο σημαντικές διαφορές μεταξύ του H.erectus και H.neanderthalensis αναφέρονται στο σχήμα του κρανίου και στους τρόπους προσαρμογής αυτών στα περιβάλλοντα τους. Το κρανίο του H.s.neanderthalensis έχει μεγάλους γνάθους, μεγάλες οφθαλμικές κόγχες και ογκώδη υπερόφρυα τόξα τα οποία εκτείνονται συνεχόμενα κατά μήκος του μετώπου, ακριβώς όμοια με τα υπερόφρυα τόξα του H.erectus. Καίτοι το μετωπικό οστό του H.s.neanderthalensis παραμένει χαμηλό, το εγκεφαλικό περιεχόμενο του κρανίου είναι πολύ περισσότερο από εκείνο του H.erectus. H κρανιακή χωρητικότητα του H.s.neanderthalensis ήταν κατά μέσο όρο γύρω στα 1600 κυβ. εκατ., δηλαδή ο εγκέφαλος του H.s.neanderthalensis ήταν 60% μεγαλύτερος από εκείνον του H.erectus και ακόμη κάπως μεγαλύτερος από εκείνον του σύγχρονου ανθρώπου.

Τα λίθινα εργαλεία του H.s.neanderthalensis ήταν περισσότερο σύνθετα από εκείνα του H.erectus, τα οποία προφανώς δείχνουν ότι το ανθρώπινο αυτό υποείδος έκανε εξειδικευμένα εργαλεία για διαφορετικές εργασίες. Για τον Νεάντερταλ υπάρχουν πολλές μαρτυρίες ότι είναι ο πρώτος που χρησιμοποίησε τη συμβολική συμπεριφορά. Μερικές ευρωπαϊκές σπηλιές περιέχουν τους σκελετούς από τις αρκούδες των σπηλαίων, τοποθετημένες σε ειδικές κατασκευές λίθινων κουτιών, μεταξύ των εργαλείων του Νεάντερταλ.

Επιπλέον, οι Νεάντερταλ φαίνεται ότι έθαβαν τους νεκρούς τους, ή τουλάχιστον κάποιους από αυτούς. Σε μερικές περιπτώσεις οι Νεάντερταλ άφηναν στους τάφους λουλούδια και κρέας αφιερώνοντας τα στους νεκρούς τους. Αυτή η συμπεριφορά έχει ερμηνευθεί σαν ένδειξη μιας θρησκευτικής φροντίδας για το θάνατο μεταξύ του δικού του είδους και των ζώων τα οποία οι Νεάντερταλ κυνηγούσαν.

Είναι γεγονός ότι μερικοί ανθρωπολόγοι υποστηρίζουν ότι αυτός ο τύπος της συμβολικής συμπεριφοράς θα μπορούσε να έχει ανάγκη από την παρουσία μιας σύνθετης γλώσσας — διαλέκτου — μεταξύ των ανθρώπων του Νεάντερταλ, μιας γλώσσας η οποία θα μπορούσε, όπως φαίνεται, να έχει ξεκινήσει να αναπτύσσεται στον H.erectus. H άποψη αυτή αμφισβητείται από άλλους ανθρωπολόγους οι οποίοι πιστεύουν ότι οι Νεάντερταλ ήταν ανατομικά ανίκανοι να ομιλούν.

Σε κάποια περίπτωση, ο Νεάντερταλ ήταν όχι μόνον ένας κάτοικος τροπικών και εύκρατων περιοχών του Παλαιού Κόσμου αλλά ήταν ικανός, κατά τον πρώτο καιρό της ανθρώπινης εξέλιξης, να προσαρμόζεται σε αρκτικά περιβάλλοντα. Οι Νεάντερταλ έζησαν στην Ευρώπη κατά τη διάρκεια της εποχής των Παγετώνων. Οι Παγετώνες προχώρησαν προς τα Δυτικά μέχρις εκεί που είναι σήμερα η εύκρατη Ευρώπη. Στις περιοχές αυτές πολλοί Νεαντερτάλιοι καταυλισμοί έχουν βρεθεί να περιέχουν τα οστά των ζώων και τη γύρη των φυτών που είναι χαρακτηριστική των αρκτικών κλιμάτων.

Μεταξύ 35 και 40 χιλιάδες χρόνια πριν από σήμερα η Γεωγραφική Φυλή του H.s.neeyiderthalensis η οποία κατοίκησε την Ευρώπη — συχνά αναφέρεται και σαν οι κλασικοί Νεάντερταλ — ξαφνικά μάλλον αντικαθίστανται από τους ανθρώπους του Κρό-Μανιόν (Cro-Magnon) που ονομάστηκαν έτσι από το πρώτο εύρημα στην ομώνυμη περιοχή της Γαλλίας.

Οι άνθρωποι του Κρό-Μανιόν αντιπροσωπεύουν μια πρώτη φυλή του σύγχρονου υποείδους Homo sapiens sapiens — είναι το υποείδος που ανήκουν τα σημερινά ανθρώπινα όντα. Στη Μέση Ανατολή, εξάλλου, η μετάβαση από το Homo sapiens neanderthalensis στον Homo sapiens sapiens φαίνεται να έχει προχωρήσει πάρα πολύ αργά και συνεχώς, κάτι αντίθετο από ό,τι έγινε στην Ευρώπη. Αυτή η φανερή διαφορά στο ρυθμό της μετάβασης έχει οδηγήσει μερικούς ανθρωπολόγους να προτείνουν ότι ο H.s.sapiens έχει αναπτυχθεί πρώτα στη Μέση Ανατολή και μετά μετακινήθηκε στον Παλαιό Κόσμο ακολουθώντας δρόμους όπως φαίνονται στο πιο κάτω σχήμα. Με τον τρόπο αυτό προτείνεται ότι καθώς οι πληθυσμοί του H.s.sapiens επεκτείνονταν αυτοί προκαλούσαν την εξαφάνιση των πληθυσμών του H.s.neanderthalensis.

Άλλοι ειδικοί στο είδος αυτό υποστηρίζουν ότι οι διαφορές στο ρυθμό μετάβασης είναι μόνο φαινομενικές που προκαλούνται από την έλλειψη πληροφοριών για την κρίσιμη χρονική περίοδο και για τις κρίσιμες τοποθεσίες. Από μαρτυρία κυρίως αρχαιολογική, υποστηρίζεται ότι η μετάβαση από τον H.s.neanderthalensis στον H.s.sapiens έλαβε χώρα δια μέσου ολοκληρωμένων σειρών των πρώτων υποειδών. Πάντως όποιος και να ήταν ο τρόπος μετάβασης μεταξύ των δύο αυτών υποειδών είναι γεγονός ότι ο H.s.sapiens φαίνεται να ήταν καλά εγκατεστημένος στον Παλαιό Κόσμο γύρω στις 35 μέχρι 40 χιλιάδες χρόνια πριν.

Οι μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ του H.s.neanderthalensis και H.s.sapiens βρέθηκαν στα κρανία, στην κουλτούρα και στη γεωγραφική εξάπλωση τους. Οι σιαγόνες και τα δόντια του H.s.sapiens είναι μικρότερα από εκείνα του H.s.neanderthalensis και τα υπερόφρυα τόξα έχουν περιορισθεί σε πολύ μικρές εξάρσεις. Το μετωπικό οστό των σύγχρονων ανθρώπων είναι πολύ υψηλότερο από του H.s.neanderthalensis και ολόκληρη η εγκεφαλική κοιλότητα είναι πάρα πολύ σφαιρική. Τέλος, το σύγχρονο υποείδος έχει ένα πηγούνι στην κάτω γνάθο που λείπει από το H.s.neanderthalensis και φυσικά από τα προηγούμενα ανθρώπινα όντα.

H κουλτούρα του H.s.sapiens έγινε τεχνολογικά και κοινωνικά πολύ σύνθετη, από αυτή που υπήρξε στους H.s.neanderthalensis και καταυτόν τον τρόπο η πρόοδος επιφέρει νέες εφαρμογές για την προσαρμογή στα περιβάλλοντα που αντιμετωπίζει. O H.s.sapiens είναι ο πρώτος άνθρωπος που κινήθηκε προς το Νέο Κόσμο — Βόρεια και Νότια Αμερική —. H μετακίνηση του εκεί πιστεύεται ότι πραγματοποιήθηκε από 20 μέχρι 30 χιλιάδες χρόνια πριν.

Τα σημερινά ανθρώπινα όντα —οι σκελετοί των οποίων παραμένουν ουσιαστικά χωρίς αλλαγές τα τελευταία 40 χιλιάδες χρόνια —είναι βιολογικά τελείως διαφορετικά από τους πρώτους προγόνους τους, στο ανάστημα του σώματος, στην όρθια στάση και βάδισμα, στην επιδεξιότητα των χεριών, στο μέγεθος του εγκεφάλου και σε πολλούς άλλους χαρακτήρες.

Το συμβάν που σημάδεψε την ανθρώπινη εξέλιξη ήταν χωρίς αμφιβολία, η δημιουργία της κουλτούρας σαν ένα πρωταρχικό μέσο αντιμετώπισης του περιβάλλοντος. H κουλτούρα βοήθησε το ανθρώπινο είδος, στην αργή πορεία της εξέλιξης του να αλλάξει το γενετικό δυναμικό του και έτσι να αντιμετωπίσει τις απαιτήσεις του περιβάλλοντος. H κουλτούρα προνόησε τα μέσα, με τα οποία άνδρες και γυναίκες θα μπορούσαν να προσαρμοσθούν στο περιβάλλον γρήγορα και απευθείας ή θα μπορούσαν να αναζητούν περιβάλλον που θα τους εξυπηρετεί. Στους πρώτους καιρούς της κουλτούρας τα γυμνά σώματα προστατεύονται στα θερμαινόμενα με φωτιά καταφύγια, τα χέρια τους γινόντουσαν ένα ισχυρό όργανο όταν κρατούσαν ένα ρόπαλο. Αργότερο έγινε η συλλογή σπόρων, η σπορά τους, ο θερισμός και η συγκομιδή τους.

Το περισσότερο σημαντικό είναι η μεταβίβαση της κουλτούρας από γενιά σε γενιά διαμέσου της γλώσσας, η οποία πραγματικό οδήγησε σε μια υπέρ-επιταχυνόμενη βαθμίδα αλλαγής, όπως συμβαίνει με τη χιονοστιβάδα που στην κάθοδο της αυξάνει συγχρόνως και στη μάζα και στην ταχύτητα.

Έτσι λοιπόν βλέπουμε, τη φωτιά στο τζάκι πρώτα με ξύλο, μετά με ορυκτό καύσιμο και τέλος με πυρηνικά καύσιμα. Το ρόπαλο γίνεται δόρυ, μετά τόξο με βέλη, στη συνέχεια όπλο, πολυβόλο, βόμβα, πυρηνική κεφαλή, κατευθυνόμενος πύραυλος. H σπορά και η συγκομιδή γίνεται σύγχρονη αγροτική βιομηχανία. Οι παραγωγές συνεχώς βελτιώνονται με επαναλαμβανόμενες εκτροφές και διασταυρώσεις φυτών και ζώων. Στο δικό μας αιώνα, η δυνατότητα του ανθρώπινου είδους να ελέγχει το περιβάλλον έχει γίνει τόσο μεγάλη ώστε απρόσεκτη ή υπερβολική εκμετάλλευση του, οδηγεί σε παγκόσμια και συχνά χωρίς επιστροφή υποβάθμιση και καταστροφή.

Ξεδιπλώνοντας τις ιδέες που έχουμε για τις μαύρες τρύπες.

Οι μαύρες τρύπες είναι τοποθεσίες στο σύμπαν όπου η συνηθισμένη βαρύτητα έχει γίνει τόσο μεγάλη που συντρίβει όλες τις άλλες δυνάμεις. Και τίποτα μα τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας – ακόμη ούτε και το φως.


Ακόμα ξέρουμε ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν. Ξέρουμε πώς γεννιούνται, πού εμφανίζονται και γιατί υπάρχουν σε διαφορετικά μεγέθη. Ξέρουμε ακόμη και τι θα συνέβαινε εάν εισερχόμαστε σε κάποια από αυτές. Οι ανακαλύψεις τα τελευταία 20 χρόνια μας έχουν αποκαλύψει ένα από τα πιο παράξενα αντικείμενα στο σύμπαν, αλλά υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν ξέρουμε.

Αριστερά: Ένα πολύ μικρό τμήμα του Γαλαξία μας στον αστερισμό του Τοξότη.

Συνολικά, ο Γαλαξίας μας περιέχει κάπου 100 δισεκατομμύρια άστρα και 100 εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Οι περισσότερες από αυτές είναι αόρατες σε μας, και μόνο μια δωδεκάδα σχεδόν έχει προσδιοριστεί. Η κοντινότερη σε μας είναι περίπου 1.600 έτη φωτός. Στην περιοχή του ορατού σύμπαντος από τη Γη, υπάρχουν ίσως 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες. Ο καθένας τους έχει περίπου 100 εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Και κάπου έξω εκεί, μια νέα αστρική μαύρη τρύπα γεννιέται μέσα σε μια υπερκαινοφανή έκρηξη κάθε δευτερόλεπτο.

Οι τεράστιες μαύρες τρύπες που μπορεί να έχουν από ένα εκατομμύριο έως ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη μάζα από τον ήλιο μας, βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών και οι περισσότεροι γαλαξίες, και ίσως κι όλοι τους, να φιλοξενούν μια τέτοια μαύρη τρύπα. Έτσι στην περιοχή του ορατού Κόσμου υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια υπερβαρέες μαύρες τρύπες. Η κοντινότερη κατοικεί στο κέντρο του Γαλαξία μας, κάπου 28 χιλιάδες έτη φωτός. Η πιο απόμακρη που ξέρουμε είναι σε ένα γαλαξία κβάζαρ δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Και επειδή η κοντινότερη μαύρη τρύπα είναι πολλά έτη φωτός μακριά μας, δεν θα πρέπει να ανησυχούμε αν απειλούν τη Γη και φυσικά ποτέ δεν θα τις πλησιάσουμε. Γι αυτό είναι εύκολη η εξερεύνησή τους από εδώ.

Πώς παίρνουν το όνομα τους οι μαύρες τρύπες

Δεν υπάρχει κανένα ειδικό σύστημα για την ονομασία των μαύρων οπών. Οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες στους πυρήνες των γαλαξιών ονομάζονται από το όνομα των γαλαξιών. Ένα όνομα όπως M31 δείχνει ότι ο γαλαξίας καταχωρήθηκε από τον αστρονόμο Charles Messier κοντά στο 1700. Ένα όνομα που αρχίζει με "NGC" δείχνει ότι έχει καταχωρηθεί στο Νέο Γενικό Κατάλογο, ο οποίος συντάχθηκε το 1888 και επεκτάθηκε μέχρι τώρα. Μερικές μαύρες τρύπες καταχωρούνται από τον αστερισμό τους και πώς ανακαλύφθηκαν. Το Cygnus Χ-1 ήταν το πρώτο από τα αντικείμενα που έκανε εκπομπή ακτίνων X, και που ανακαλύφθηκε στον αστερισμό του Κύκνου (Cygnus), παραδείγματος χάριν. Και πολλές άλλες μαύρες τρύπες προσδιορίζονται από το όργανο ή την έρευνα που τις ανακάλυψαν και η θέση τους στον ουρανό: για παράδειγμα το αντικείμενο XTE J1118+480 ανακαλύφθηκε από τον Δορυφόρο Rossi X-Ray Timing Explorer (XTE), και είναι στις ουράνιες συντεταγμένες 1118+480. ΤΗ μαύρη τρύπα GRO J1655-40 ανακαλύφθηκε από το παρατηρητήριο Compton Gamma-Ray, και ούτω καθεξής.

Δεν υπήρχαν μαύρες τρύπες κατά τον Αϊνστάιν

Το 1939, ο Αϊνστάιν έγραψε μια μελέτη όπου επιχειρούσε να καταρρίψει την ύπαρξη άστρων που δεν ακτινοβολούσαν, δηλαδή μαύρων οπών. Γιατί όπως ισχυρίστηκε είναι αδύνατο να σχηματιστούν με φυσικές διαδικασίες. Η άποψη του στηριζόταν στην παραδοχή ότι τα άστρα σχηματίζονται από ένα στροβιλιζόμενο νέφος σκόνης, αερίων και θραυσμάτων που, λόγω της βαρύτητας, σταδιακά ενώνονται. Στη συνέχεια, έδειξε ότι αυτή η συγκέντρωση στροβιλιζόμενων σωματιδίων δεν καταρρέει ποτέ στην ακτίνα Schwarzschild και επομένως δεν μπορεί να μετατραπεί σε μαύρη τρύπα. Στην καλύτερη περίπτωση, η ακτίνα αυτής της στροβιλιζόμενης μάζας σωματιδίων θα έφτανε να είναι μιάμιση φορά η ακτίνα Schwarzschild, οπότε πάλι αποκλειόταν ο σχηματισμός μαύρης τρύπας. Για να ξεπεράσει κανείς αυτό το όριο – μιάμιση φορά την ακτίνα Schwarzschild – θα έπρεπε να κινείται ταχύτερα από το φως, πράγμα αδύνατο. Και φυσικά δεν υπήρχαν και οι ιδιομορφίες, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν.

Παρόμοιες επιφυλάξεις όσον αφορά τις μαύρες τρύπες είχε και ο Arthur Eddington, που δε δέχτηκε ποτέ την ύπαρξη τους. Κάποτε, μάλιστα, είχε πει ότι θα έπρεπε να υπάρχει "ένας νόμος στη Φύση που να αποτρέπει μια τόσο παράλογη αστρική συμπεριφορά."

Την ίδια χρονιά, ο Ρόμπερτ Οπενχάιμερ (από τους ιδρυτές της πρώτης ατομικής βόμβας) έδειξε πως ο σχηματισμός της μαύρης τρύπας είναι δυνατός μέσω ενός άλλου μηχανισμού. Αντί να υποθέσουν ότι οι μαύρες τρύπες προκύπτουν από μια στροβιλιζόμενη συγκέντρωση σωματιδίων που καταρρέει λόγω της βαρύτητας, είπε ότι ξεκινάει από ένα γηραιό άστρο με μεγάλη μάζα που, έχοντας εξαντλήσει τα πυρηνικά του καύσιμα, υφίσταται ενδόρρηξη εξαιτίας της βαρύτητας. Για παράδειγμα, αν ένα μελλοθάνατο άστρο-γίγαντας με μάζα σαράντα φορές μεγαλύτερη εκείνης του Ήλιου εξαντλούσε τα πυρηνικά του καύσιμα, θα μπορούσε να συμπιεστεί λόγω της βαρύτητας στην ακτίνα Schwarzschild – που στην προκειμένη περίπτωση θα ήταν περίπου 130 χιλιόμετρα- και να καταρρεύσει σχηματίζοντας μια μαύρη τρύπα. Οι μαύρες τρύπες, υποστήριξαν, όχι μόνο είναι δυνατό να υπάρξουν, αλλά ίσως και να αποτελούν την ύστατη κατάληξη για δισεκατομμύρια άστρα-γίγαντες που πεθαίνουν στο γαλαξία μας.

Οι μαύρες τρύπες ακολουθούν τους νόμους της βαρύτητας;

Δεξιά: Ο χωροχρονικός ιστός γύρω από τη γη, όπως παρατηρήθηκε από την αποστολή της NASA, Gravity Probe B

Οι μαύρες τρύπες ακολουθούν όλους τους νόμους της φυσικής, συμπεριλαμβανομένων και των νόμων της βαρύτητας. Οι αξιοπρόσεκτες ιδιότητές τους είναι στην πραγματικότητα μια άμεση συνέπεια της βαρύτητας.

Το 1687, ο Ισαάκ Νεύτωνας έδειξε ότι όλα τα αντικείμενα στο σύμπαν ελκύουν το ένα το άλλο μέσω της δύναμης της βαρύτητας. Η βαρύτητα είναι στην πραγματικότητα η πιο ασθενής δύναμη στη φύση. Στην καθημερινή μας όμως ζωή, άλλες δυνάμεις από την ηλεκτρική, το μαγνητισμό, ή την πίεση ασκούν συχνά μια ισχυρότερη επίδραση. Εντούτοις, η βαρύτητα διαμορφώνει το σύμπαν επειδή καθίσταται αισθητή σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Παραδείγματος χάριν, ο Νεύτωνας έδειξε ότι οι νόμοι της βαρύτητάς του μπορούν να εξηγήσουν τις κινήσεις των φεγγαριών και των πλανητών στο ηλιακό σύστημα.

Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν αργότερα άλλαξε ριζικά την άποψη που είχαμε για τη βαρύτητα μέσω της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητάς του. Για πρώτη φορά έδειξε, βασισμένος στο γεγονός ότι το φως κινείται με μια σταθερή ταχύτητα, ότι ο χώρος και ο χρόνος πρέπει να συνδέονται. Και το 1915, έδειξε ότι τα αντικείμενα μεγάλης μάζας διαστρεβλώνουν τον χωρόχρονο την τεσσάρων διαστάσεων συνέχεια, και ότι αυτή η διαστρέβλωση είναι ότι θεωρούμε ως βαρύτητα. Οι προβλέψεις του Αϊνστάιν έχουν ελεγχθεί για δεκαετίες μέσω πολλών διαφορετικών πειραμάτων. Για τα σχετικά ασθενή βαρυτικά πεδία, όπως της Γης, οι προβλέψεις των δύο θεωριών – Αϊνστάιν και Νεύτωνα – είναι σχεδόν ίδιες. Αλλά για τα πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία, όπως αυτά που παρατηρούμε κοντά στις μαύρες τρύπες, η θεωρία του Αϊνστάιν προβλέπει πολλά συναρπαστικά νέα φαινόμενα.

Με ποιό τρόπο γίνεται ένα άστρο μαύρη τρύπα;

Από τη στιγμή που γεννιέται ένα άστρο μέχρι και το θάνατό του αντιπαλεύει συνεχώς ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας. Πρόκειται για μια πάλη που αργά ή γρήγορα είναι καταδικασμένο να χάσει. Και ανάλογα με την ύλη που περιέχει στο τέλος της ζωής του ένα άστρο θα έχει έναν από τρεις διαφορετικούς τρόπους θανάτου. Συγκεκριμένα άστρα με πυρήνα μέχρι 1.4 ηλιακές μάζες θα γίνει λευκός νάνος. Άστρα που κατορθώνουν να συγκρατήσουν στον πυρήνα τους υλικά από 1.4 έως 2.5 ηλιακές μάζες μετατρέπονται σε πάλσαρ ή άστρα νετρονίων. Αν όμως ο πυρήνας των άστρων στο τέλος της ζωής τους ξεπερνά τις 2.5 ηλιακές μάζες μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα, γιατί τίποτα δεν μπορεί να αντισταθεί στη δύναμη της βαρύτητας.

Για να πεθάνει όμως ένα άστρο καίει τα καύσιμά του. Και οι περισσότεροι ξέρουμε ότι ένα αστέρι είναι ένας τεράστιος, καταπληκτικής ισχύος, αντιδραστήρας σύντηξης των ελαφρών στοιχείων. Επειδή τα αστέρια έχουν πολύ μάζα και είναι φτιαγμένα από αέριο υδρογόνο και λίγο ήλιο, υπάρχει ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο που προσπαθεί πάντα να φέρει βαρυτική κατάρρευση στο άστρο. Οι αντιδράσεις σύντηξης, που συμβαίνουν στον πυρήνα του άστρου, είναι σαν μια γιγαντιαία βόμβα σύντηξης που προσπαθεί να ανατινάξει το άστρο. Η ισορροπία μεταξύ των βαρυτικών δυνάμεων και των εκρηκτικών δυνάμεων είναι αυτό που καθορίζει εν τέλει το μέγεθος του αστεριού.

Μετά τη γέννηση ενός άστρου – από τη συμπύκνωση μεγάλων μαζών γαλαξιακού αερίου υδρογόνου κυρίως – αρχίζει και η σύντηξη των ελαφρών στοιχείων στον πυρήνα του. Κι αυτή η σύντηξη δημιουργεί μια τρομακτική πίεση από το κέντρο του άστρου προς τα έξω και η οποία αντισταθμίζεται για εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια από τη βαρύτητα.

Δεξιά: Όταν πεθαίνουν άστρα με μικρή μάζα (λιγότερη από οκτώ φορές τη μάζα του ήλιου) αργά-αργά αποβάλλουν τα εξωτερικά τους στρώματα. Αυτά τα στρώματα μπορεί να εκπέμπουν ακτινοβολία για χιλιάδες χρόνια. Το άστρο λέγεται λανθασμένα τότε πλανητικό νεφέλωμα.

Αστέρια με λιγότερη από οκτώ φορές τη μάζα του ήλιου, πεθαίνουν σχετικά ήρεμα. Τα εξωτερικά στρώματα τους, μετά από μια γιγάντια έκρηξη, ξεχύνονται στο διάστημα σαν αστρικός άνεμος, κι έτσι το αστέρι αυτό γίνεται προσωρινά ορατό σαν ένα πλανητικά νεφέλωμα. Το υπόλοιπο τμήμα του άστρου, είναι στο μέγεθος της Γης και ονομάζεται λευκός νάνος.

Αλλά, τα βαρύτερα αστέρια πεθαίνουν με μια θεαματική υπερκαινοφανή έκρηξη, κι αν το άστρο ήταν μέτρια βαρύ, τότε το κατάλοιπο του φτιάχνει ένα αστέρι νετρονίων: μια πυκνή σφαίρα από νετρόνια, που συμπιέζεται τόσο πολύ που η διάμετρος του είναι κάπου 15 χιλιόμετρα. Τέλος, τα εξαιρετικά βαριά αστέρια (με μάζα περισσότερη από 25 φορές του Ήλιου) δεν έχουν κανένα τρόπο να αντισταθούν στη βαρυτική έλξη καθώς πεθαίνουν. Έτσι, καταρρέουν εντελώς σε μια μαύρη τρύπα.

Αριστερά: Τα πολύ μεγάλα άστρα πεθαίνουν με μια καταπληκτική υπερκαινοφανή έκρηξη, που διαρκεί λίγα μόνο δευτερόλεπτα. Η έκρηξη σκορπίζει στο διάστημα το μεγαλύτερο μέρος του άστρου. Ό,τι απομείνει είναι τότε ένα άστρο νετρονίων

Η δημιουργία μιας αστρικής μαύρης τρύπας ακολουθεί το στάδιο της καταστροφικής υπερκαινοφανούς (σουπερνόβα) έκρηξης ενός άστρου. Αν ο πυρήνας του άστρου είναι μικρότερος των 10 ηλιακών μαζών, περίπου, τότε μετά την γιγάντια έκρηξη θεωρείται ότι τα νετρόνια μπορούν να σταματήσουν τη βαρυτική κατάρρευση του άστρου και δημιουργείται έτσι ένα αστέρι νετρονίων.

Όταν όμως ο πυρήνας είναι βαρύτερος (Mπυρήνα > ~ 20 ηλιακές μάζες), τίποτα στο γνωστό κόσμο δεν είναι σε θέση να σταματήσει την κατάρρευση των πυρήνων, κι έτσι ο πυρήνας συμπιέζεται τόσο πολύ που δημιουργεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό το αντικείμενο εξαφανίζεται τότε, κυριολεκτικά, από το ορατό πεδίο. Επειδή η βαρύτητα του πυρήνα είναι πάρα πολύ ισχυρή, ο πυρήνας βυθίζεται μέσα στη δομή του χωρόχρονου, δημιουργώντας μια τρύπα στο χωρόχρονο. Γι’ αυτό και τα αντικείμενα αυτά λέγονται μαύρες τρύπες.

Οι αστρικές μαύρες τρύπες δημιουργούνται όταν στα μεγάλα άστρα με πυρήνα πάνω από 20 ηλιακές μάζες γίνεται μια υπερκαινοφανής έκρηξη. Η εικόνα δεξιά δείχνει το κατάλοιπο μιας τέτοιας έκρηξης στον αστερισμό της Κασιόπειας

Ο πυρήνας της μαύρης τρύπας γίνεται το κεντρικό μέρος της μαύρης τρύπας, που λέγεται ιδιομορφία ή ανωμαλία. Το άνοιγμα της τρύπας ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Μπορούμε να σκεφτούμε τον ορίζοντα γεγονότων ως το στόμα της μαύρης τρύπας. Μόλις περάσει ένα σώμα τον ορίζοντα γεγονότων, μπορεί να θεωρηθεί ότι εξαφανίστηκε. Έτσι και εισήλθε μέσα στον ορίζοντα γεγονότων, όλα τα "γεγονότα" (τα σημεία του χωρόχρονου) σταματούν, και τίποτα (ακόμα και το φως) δεν μπορούν να δραπετεύσει.

Ιστορικά τώρα η ιδέα ενός αντικειμένου από το οποίο δεν θα μπορούσε να δραπετεύσει το φως (μαύρη τρύπα) προτάθηκε αρχικά από τον Pierre Simon Laplace το 1795, χρησιμοποιώντας τη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα. Ο Laplace υπολόγισε ότι εάν ένα αντικείμενο συμπιεζόταν σε μια αρκετά μικρή ακτίνα, τότε η ταχύτητα διαφυγής αυτού του αντικειμένου θα ήταν μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.

Δημιουργία μαύρων οπών με πάρα πολύ μεγάλη μάζα

Αριστερά: Μια γνωστή σύγκρουση δύο γαλαξιών – η Antennae

Γνωρίζουμε λίγα σχετικά με τη γέννηση των υπερβαρέων μαύρων οπών, που είναι χιλιάδες φορές βαρύτερες από μια αστρική και ζουν στα κέντρα των γαλαξιών. Η μία δυνατότητα δημιουργίας τους είναι από τη συγχώνευση πολλών αστρικών μαύρων οπών σε μια περίοδο δισεκατομμυρίων ετών.

Μια απλή αστρική μαύρη τρύπα μπορεί να αυξηθεί ταχύτατα καταναλώνοντας γειτονικά άστρα και αέριο κοντά στο κέντρο των γαλαξιών. Επίσης, μια μεγάλη μαύρη τρύπα μεγαλώνει μέσω συγχώνευσης της με άλλες μαύρες τρύπες που κατοικούν στο κέντρο των γαλαξιών. Για να συμβεί αυτό πρέπει να συγχωνεύονται οι γαλαξίες στους οποίους ανήκουν. Αυτό το σενάριο έχει επιβεβαιωθεί πρόσφατα σε παρατηρήσεις και υπολογιστικά μοντέλα.

Είναι γνωστό ότι η μάζα μιας υπερβαρέας μαύρης τρύπας στο κέντρο ενός γαλαξία είναι ανάλογη με τη μάζα του γαλαξία αυτού. Έτσι, υπάρχουν τέτοιες μαύρες τρύπες με μάζα ακόμα κι ένα δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιου μας.