Αναζήτηση μιας νέας φυσικής στις αρχέγονες κβαντικές διακυμάνσεις

Ο πληθωρισμός, μια πολύ σύντομη περίοδος που εμφανίστηκε σε απειροστά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, είναι τόσο δύσκολο να την κατανοήσει κανείς όσο και το ίδιο το Big Bang. Οι φυσικοί υπολογίζουν ότι ο πληθωρισμός διήρκεσε ένα μικρό μόνο κλάσμα του δευτερολέπτου, αλλά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου το σύμπαν μεγάλωσε σε μέγεθος κατά έναν παράγοντα 10⁷⁸. Επίσης, τότε συνέβη ένα πολύ σημαντικό πράγμα: εμφανίστηκαν οι διακυμάνσεις στο κβαντικό κενό, που αργότερα οδήγησαν στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που βλέπουμε σήμερα στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), που με τη σειρά τους παρήγαγαν τις μεγάλης κλίμακας δομές, όπως είναι οι γαλαξίες.

Η εξέλιξη του σύμπαντος από το Big Bang μέχρι σήμερα. Οι κβαντικές διακυμάνσεις που προκύπτουν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού αναπτύχθηκαν στις ανομοιογένειες που οδήγησαν στο σχηματισμό των σημερινών γαλαξιών και των άστρων.

Αλλά σε μια νέα μελέτη φυσικοί πιστεύουν ότι η σημερινή θεωρία των χαρακτηριστικών των αρχέγονων κβαντικών διακυμάνσεων – που επίσης λέγεται πληθωριστικό φάσμα ισχύος – μπορεί να απαιτήσει μερικές μικρές διορθώσεις στην...
υπάρχουσα θεωρία, που οφείλεται προς το παρόν σε μια άγνωστη φυσική. Αυτές οι νέες διορθώσεις θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους φυσικούς να αναζητήσουν πειραματικές αποδείξεις ώστε να ελέγξουν μια ποικιλία θεωριών της κβαντικής βαρύτητας, συμπεριλαμβανομένης και της θεωρίας των χορδών. Οι θεωρητικοί φυσικοί Mark Jackson του 7ου Πανεπιστημίου του Παρισιού και ο Koenraad Schalm του Πανεπιστημίου του Leiden στην Ολλανδία, έχουν δημοσιεύσει μια μελέτη πάνω σε αυτές τις πιθανές υπογραφές μιας νέας φυσικής στο πληθωριστικό φάσμα ισχύος στο περιοδικό Physical Review Letters.

Αρχέγονες διακυμάνσεις

Η εργασία των φυσικών εστιάζεται στην κλίμακα Planck, τις συνθήκες υπερ-υψηλής ενέργειας κατά τη στιγμή του Big Bang. Παρά το γεγονός ότι το σύμπαν σε αυτό το σημείο ήταν σχεδόν εντελώς ομοιογενές, η βίαιη δυναμική του πληθωρισμού παρήγαγε μικροσκοπικές ανομοιογένειες στο κβαντικό κενό. Άρχισαν τότε να αναδύονται και να εξαφανίζονται αμέσως μετά εικονικά ζεύγη σωματιδίων από το κβαντικό κενό, ορισμένα σωματίδια από τα οποία θα μπορούσαν να απορροφήσουν ενέργεια και να γίνουν πραγματικά. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι όλη η ύλη σήμερα, από τους γαλαξίες έως τα έμβια όντα, προήλθαν από αυτές τις αρχέγονες κβαντικές διακυμάνσεις. Όμως αυτοί δείχνουν ακόμη μεγαλύτερο ενδιαφέρον σε αυτή την εποχή για το τι μπορεί να μας αποκαλύψει σχετικά με την κβαντική βαρύτητα.

"Η κλίμακα του Planck είναι η ενέργεια στην οποία οι δύο μεγάλες θεωρίες στη φυσική – η βαρύτητα και η κβαντική θεωρία πεδίου – κατ' ανάγκην συνδυάζονται,"  λένε οι Jackson και Schalm. "Η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας είναι ένα από τα σημαντικότερα ανοικτά προβλήματα στη φυσική, αν και μέχρι τώρα υπάρχουν πολλά στοιχεία ότι η θεωρία χορδών είναι η κυρίαρχη απάντηση. Σε έναν ιδανικό κόσμο κάποιος θα ευχόταν να την ελέγξει πειραματικά. Δυστυχώς, αυτή η ενεργειακή κλίμακα Planck υπερβαίνει κατά πολύ τις δυνατότητες που έχουμε στους σημερινούς επιταχυντές σωματιδίων: θα ήταν σαν να φθάνει το χέρι σας να αγγίξει το φεγγάρι. Ευτυχώς, η Φύση έχει εκτελέσει μία φορά ένα πείραμα υπερ-υψηλής ενέργειας στην κλίμακα Planck: το ίδιο το Big Bang. Τώρα ενώ δεν μπορούμε να κάνουμε εκ νέου ένα Big Bang, μπορούμε όμως να δούμε τις συνέπειές του. "

Μία από τις πιο πειραματικές μεθόδους ανίχνευσης των συνεπειών του Big Bang είναι η μέτρηση της ακτινοβολίας CMB – η αχνή, μικροκυματική λάμψη που διαπερνά ολόκληρο το σύμπαν. Η CMB, που είναι η ακτινοβολία κατάλοιπο από την εποχή του επανσυνδυασμού στο πρώιμο σύμπαν – όταν τα άτομα μόλις είχαν αρχίσει να μορφοποιούνται –, έγινε σχεδόν πλήρως ομογενής, εκτός από κάποιες μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που εντοπίστηκαν για πρώτη φορά από τους επιστήμονες στις αρχές της δεκαετίας του '90. Αυτές οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας προέρχονται από τις αρχέγονες κβαντικές διακυμάνσεις που σημειώθηκαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού.

Τα δεδομένα της CMB επέτρεψαν στους επιστήμονες να υπολογίσουν το φάσμα των μηκών κύματος των αρχέγονων κβαντικές διακυμάνσεων, προσφέροντας μερικά από τα πρώτες πειραματικά δεδομένα της αρχής των πάντων. Αν και το φάσμα που υπολογίζεται από τις παρατηρήσεις ταιριάζει με το φάσμα που υπολογίζεται από τις τρέχουσες θεωρίες, η συνεχής πρόοδος για υψηλής ακρίβειας πειράματα θα μπορούσε να μας δώσει την ευκαιρία να παρατηρήσουμε και κάτι νέο.

"Οι λεπτομέρειες της κβαντικής βαρύτητας θα μπορούσαν να είναι κωδικοποιημένες στις διακυμάνσεις του κβαντικού πεδίου που ευθύνεται για την ταχεία διόγκωση του Σύμπαντος κοντά στο Big Bang", γράφουν οι δύο φυσικοί. "Το κύριο διαγνωστικό εργαλείο μας – το φάσμα ισχύος αυτών των διακυμάνσεων του κβαντικού πεδίου -. θα μπορούσε να περιέχει ένα πλούτο πληροφοριών σχετικά με την φυσική υψηλής ενέργειας που ελάμβανε χώρα κατά τη διάρκεια αυτής της πληθωριστικής περιόδου."

Μια πιο προσεκτική ματιά

Υπολογίζοντας καθολικές γενικές διορθώσεις στο πληθωριστικό φάσμα ισχύος, οι Jackson και  Schalm ελπίζουν να αποτελέσει την αφετηρία για την ανάλυση μιας ποικιλίας νέων θεωριών της φυσικής (ήτοι της κβαντικής βαρύτητας). Οι διορθώσεις είναι καθολικές και ανεξάρτητες από τις ακριβείς λεπτομέρειες κάθε θεωρίας κβαντικής βαρύτητας ή άλλες άγνωστες θεωρίες φυσικής της κλίμακας Planck, όμως κάποια μελλοντικά πειράματα θα μπορούσαν να συγκεκριμενοποιήσουν αυτές τις θεωρίες. Ειδικότερα, τα επικείμενα πειράματα με τα διαστημικά παρατηρητήρια Planck και CMBPol/Inflation Probe, που στοχεύουν στη μέτρηση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στην CMB  με μια πρωτοφανή ευαισθησία, μπορεί να προκαλέσουν πολλές μικρο-διορθώσεις στις θεωρίες. Αν λοιπόν τα μελλοντικά πειράματα παρατηρήσουν τις διορθώσεις αυτές, τότε τα ευρήματα ενδεχομένως θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν μια νέα φυσική στην κλίμακα Planck.

"Η σημασία της μελέτης μας είναι ότι μπορεί κάποιος μπορεί τώρα να αναλύσει τα παρατηρησιακά αποτελέσματα των θεωριών της φυσικής σε ενεργειακές κλίμακες που θα ήταν αδύνατο να μελετήσει προηγουμένως. Αυτές περιλαμβάνουν θεωρίες κβαντικής βαρύτητας, σαν την δημοφιλή θεωρία των υπερχορδών. Σε λίγο θα συμπληρώσουμε τα θεωρητικά μας εργαλεία με ένα  τεράστιο όγκο δεδομένων ακρίβειας από το δορυφόρο Planck, για παράδειγμα. Οι ερευνητές θα είναι τότε σε θέση να υπολογίσουν τις πειραματικές προβλέψεις για οποιοδήποτε μοντέλο της φυσικής υψηλών ενεργειών. Και αν τα δεδομένα αποδειχθούν ότι δεν ταιριάζουν με την πρόβλεψη, το μοντέλο της φυσικής μπορεί να αποκλειστεί. Αν είναι παρόμοια, μπορεί κανείς να βελτιώσει το υπάρχον μοντέλο. "

Οι φυσικοί περιγράφουν τις διορθώσεις ως ένα χάρτη, παρόμοιο με ένα χάρτη που ο επιβάτης μπορεί να χρησιμοποιήσει για να περιηγηθεί στο μετρό του Παρισιού, αλλά στην προκειμένη περίπτωση ο χάρτης είναι για να μας δείξει πώς οι φυσικοί να αναλύσουν το κάθε νέο μοντέλο φυσικής που αναπτύσσουν. Κατά μία έννοια, αυτό μοιάζει με το πώς ο επιβάτης μπορεί να χρησιμοποιήσει έναν χάρτη για να φτάσει σε οποιοδήποτε προορισμό στη γραμμή του μετρό, ακόμα και αν ο επιβάτης δεν γνωρίζει ακόμη πού πηγαίνει.

"Οι άνθρωποι είχαν σπουδάσει μερικά μεμονωμένα τροποποιημένα μοντέλα υψηλής ενέργειας κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, αλλά τα εργαλεία ανάλυσης ήταν εντελώς ειδικά για το συγκεκριμένο μοντέλο," γράφουν οι δύο φυσικοί Jackson και Schalm."Αν κάποιος λοιπόν τροποποιούσε το μοντέλο έστω και λίγο, δεν θα είχε πλέον την παραμικρή ιδέα για το πώς να το μελετήσει. Αυτό λοιπόν που κάναμε στην εργασία μας είναι να δώσουμε ένα χάρτη για το πώς να αναλύσουμε όλα τα μοντέλα. Απλώς πάρτε το μοντέλο που θέλετε, ακολουθήστε μερικούς  απλούς κανόνες και μπορείτε έτσι να υπολογίσετε το κάθε τι. Δίνουμε μερικά απλά παραδείγματα για το πώς να το κάνετε, αλλά τα εργαλεία δεν είναι ειδικά για αυτά τα μοντέλα. Αυτός είναι ο λόγος που ισχυριζόμαστε  ότι έχουμε αναπτύξει ένα σύνολο εργαλείων ανεξάρτητο του μοντέλου για την ανάλυση μιας φυσικής υψηλής ενέργειας."

Τέλος, οι δύο φυσικοί ελπίζουν ότι ο νέος χάρτης θα αποδειχθεί χρήσιμος στο μέλλον, ακόμα κι αν δεν ξέρουμε ακριβώς τι είδους φυσική υψηλής ενέργειας μπορεί να υπήρχε κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού.

"Αν τα πειράματα πραγματικά βρουν κάποια χαρακτηριστικά στο φάσμα ισχύος", είπαν, "μπορεί να μην έχουμε ακόμη καταλάβει τι ακριβώς φυσική προκαλεί αυτά τα χαρακτηριστικά, αλλά θα αποδειχθεί ότι υπάρχει κάποια νέα τροποποίηση του πληθωρισμού πολύ υψηλής ενέργειας, και αυτό μπορεί να είναι αποτέλεσμα της κβαντικής βαρύτητας. "

Πηγή: PhysOrg

(από physics4u)

Πηγή: http://antidimos.blogspot.com/