Δευτέρα, 10 Ιουλίου 2017

Τα βαρυτικά κύματα θα ξεσκεπάσουν τις 6 επιπλέον χωρικές διαστάσεις; Tying loose ends? Gravitational waves could solve string theory, study claims

Μια νέα δημοσίευση υποδεικνύει ότι η ύπαρξη των έξι επιπλέον διαστάσεων – που υποθέτει η θεωρία των χορδών – θα μπορούσε να αποδειχθεί από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. New paper suggests that the hotly contested physics thesis, which involves the existence of six ‘extra dimensions’, may be settled by cutting-edge laser detectors. A visualisation of gravitational waves at the Max Planck Institute for Gravitational Physics. Photograph: Julian Stratenschulte/EPA

Η θεωρία των χορδών φιλοδοξεί να ενοποιήσει τους νόμους της φυσικής σε ένα μοναδικό κομψό πλαίσιο. Πολλοί όμως φυσικοί την αμφισβητούν έντονα γιατί δεν υπάρχει καμία πειραματική επαλήθευση της θεωρίας μέχρι σήμερα – και κάποιοι θεωρούν πως είναι αδύνατον να υπάρξουν οποιεσδήποτε πειραματικές αποδείξεις για τέτοιου είδους θεωρίες.

Τώρα, μια νέα δημοσίευση υποστηρίζει πως είναι δυνατή η πειραματική επαλήθευση ή απόρριψη της θεωρίας των χορδών. Η μελέτη υποδεικνύει ότι η ύπαρξη των επιπλέον διαστάσεων που προβλέπει η θεωρία θα μπορούσε να κρύβεται μέσα στις ριπές των βαρυτικών κυμάτων.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό της θεωρίας των χορδών – δεδομένου ότι υπάρχουν πολλές ανταγωνιστικές εκδοχές – είναι πως τα στοιχειώδη σωματίδια μπορούν να θεωρηθούν σαν μονοδιάστατες μικροσκοπικές χορδές στις οποίες οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική) δρούν ως διαφορετικοί τρόποι δόνησης.

Για λόγους που εξηγούνται καλύτερα με τα μαθηματικά και όχι με λόγια, το πλαίσιο αυτό απαιτεί την ύπαρξη τουλάχιστον έξι επιπλέον χωρικών διαστάσεων, πέραν του χρόνου και των τριών χωρικών διαστάσεων (ύψος, μήκος, πλάτος) της καθημερινής ζωής.

Οι επιστήμονες, κυρίως αυτοί που εργάζονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, έψαξαν γι’ αυτές τις υποθετικές επιπλέον διαστάσεις, αλλά μέχρι τώρα δεν κατέληξαν σε κανένα συμπέρασμα. Μια πιθανότητα είναι οι διαστάσεις αυτές να είναι συσπειρωμένες και να «κλείνονται» στον εαυτό τους –  και γι αυτό δεν τις αντιλαμβανόμαστε. Μια άλλη είναι να μην υπάρχουν!

Οι David Andriot και Gustavo Lucena Gómez στην εργασία τους με τίτλο «Signatures of extra dimensions in gravitational waves» υποστηρίζουν ότι οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo θα μπορούσαν να δώσουν οριστική απάντηση.

Ήδη ο ανιχνευτής LIGO από το 2015 μέχρι σήμερα ανίχνευσε τουλάχιστον 3 βαρυτικά κύματα  που προκλήθηκαν από την βίαιη συγχώνευση ζευγών μαύρων τρυπών.

Η θεωρία των χορδών προβλέπει ότι κατά την διάρκεια τέτοιων κατακλυσμιαίων γεγονότων, πρέπει να διαδίδονται κυματισμοί και διαμέσου των επιπλέον χωρικών διαστάσεων και ότι θα υπάρχουν αμυδρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των γνωστών βαρυτικών κυμάτων και εκείνων που κρύβονται στις επιπλέον διαστάσεις.

A Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) technician inspects the device’s twin detectors. Photograph: LIGO Laboratory/Reuters

Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι αν υπάρχουν έξτρα διαστάσεις, τότε αυτό θα οδηγούσε σε έναν διαφορετικό τρόπο δόνησης και διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων που προκαλούνται από τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών. Πρέπει να παράγεται ένα φαινόμενο (breathing effect) που υπερτίθεται στο κύριο βαρυτικό κύμα. Το μοτίβο αυτό θα μπορούσε να μετρηθεί από έναν τρίτο ανιχνευτή τον Virgo, σε συνδυασμό με τους δύο ανιχνευτές Ligo, που θα αρχίσει να λειτουργεί προς το τέλος του 2018 ή στις αρχές του 2019. Βέβαια – και αυτό είναι το σημαντικότερο από την πειραματική σκοπιά – δεν έχει ξεκαθαριστεί ακόμα αν αυτό το έξτρα φαινόμενο θα είναι τόσο έντονο ώστε να είναι ανιχνεύσιμο.

Τέτοιου είδους παρατηρήσεις είναι εξαιρετικά σημαντικές διότι δεν προβλέπονται από την γενική θεωρία της σχετικότητας, που σημαίνει ότι θα πρέπει να αναθεωρήσουμε τις αντιλήψεις μας για την βαρύτητα. Μια επιλογή είναι η θεωρία των χορδών, αλλά υπάρχουν κι άλλες ανταγωνιστικές θεωρίες. Η απουσία του “breathing” θα μπορούσε να εξαλείψει μερικές από αυτές τις θεωρίες. Οι τυχόν παρεκκλίσεις από την γενική σχετικότητα αναμένονται να συμβαίνουν στις πιο ακραίες συνθήκες, όπως οι συγκρούσεις μαύρων τρυπών.

Η εργασία προβλέπει επίσης ότι τα βαρυτικά κύματα δονούνται διαμέσου κάθε έξτρα διάστασης σε χαρακτηριστικές συχνότητες. Παίρνοντας υπόψη την υπόθεση ότι οι επιπλέον διαστάσεις είναι πολύ μικρές, τότε προκύπτει το συμπέρασμα πως θάπρεπε να παράγεται μια σειρά βαρυτικών κυμάτων με υψηλότερες συχνότητες. Αυτές οι συχνότητες θα ήταν πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από αυτές που μπορεί να ανιχνεύσει το LIGO. Όμως θα μπορούσαν στο απώτερο μέλλον να εντοπιστούν από έναν πιο εξελιγμένο ανιχνευτή.

Κάποιοι φυσικοί δεν πείθονται πως είναι δυνατόν να υπάρξουν τέτοιες πειραματικές αποδείξεις. Για παράδειγμα ο Peter Woit, που χρόνια τώρα θεωρεί πως η θεωρία των χορδών «δεν είναι ούτε καν λάθος», ισχυρίζεται πως ακόμα κι αν ποτέ «δούμε» τις έξτρα διαστάσεις, δεν υπάρχει κάποιος ιδιαίτερος λόγος να πιστέψουμε ότι αυτό σχετίζεται με την θεωρία των χορδών.