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.


Πολύ παλαιότερες οι βραχογραφίες στη Νότια Αφρική. New research reveals earliest directly dated rock paintings from southern Africa

Από τις ζωγραφιές που μελετήθηκαν με τη νέα τεχνική ραδιοχρονολόγησης, η οποία αποκάλυψε ότι οι νοτιοαφρικανικές βραχογραφίες είναι παλαιότερες από ό,τι εκτιμούσαν ως τώρα οι επιστήμονες. Scientists have pioneered a technique to directly date prehistoric rock paintings in southern Africa, which reveals dates much older than previously thought. Credit: David Pearce

Αρκετές χιλιετίες παλαιότερες από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες φαίνεται ότι είναι οι περισσότερες προϊστορικές βραχογραφίες στον Νότο της Αφρικής. Αυτό αποκάλυψε μια νέα, άμεση χρονολόγησή τους που έγινε από διεθνή ερευνητική ομάδα με τη χρήση μιας πρωτοποριακής τεχνικής. Η νέα ανάλυση, πέραν του ότι αναδεικνύει ένα καινούργιο εργαλείο για τη ραδιοχρονολόγηση της ζωγραφικής σε βράχο, ανατρέπει επίσης ορισμένες αντιλήψεις σχετικά με τις κοινωνίες των κυνηγών τροφοσυλλεκτών στο νότιο τμήμα της αφρικανικής ηπείρου και προσφέρει μια νέα ματιά στη θρησκεία και στα έθιμά τους.

Δύσκολο έργο

Η άμεση χρονολόγηση των βραχογραφιών έχει αποδειχθεί αρκετά δύσκολο έργο - αυτός είναι και ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο οι γνώσεις μας γύρω από τους καλλιτέχνες των σπηλαίων έχουν πολλά κενά. Ο πρώτος απαγορευτικός παράγοντας για τους μελετητές είναι ότι οι διαθέσιμες μέθοδοι απαιτούν τη λήψη μεγάλης ποσότητας δείγματος, κάτι το οποίο είναι άκρως καταστρεπτικό για τις βραχογραφίες. Επιπλέον στην περίπτωση της ραδιοχρονολόγησης με άνθρακα-14, η οποία προσφέρεται ιδιαίτερα αφού οι βαφές που χρησιμοποιούσαν οι προϊστορικοί καλλιτέχνες είχαν οργανική προέλευση, υπάρχουν δύο ακόμη εμπόδια. Το ένα είναι ότι το κάρβουνο που χρησιμοποίησαν οι ζωγράφοι είναι πολύ πιθανό να μην προερχόταν από μια σύγχρονή τους πηγή αλλά από κάποια πολύ παλαιότερη σε ηλικία. Και το δεύτερο είναι ότι καθώς τα έργα είναι εκτεθειμένα στο εξωτερικό περιβάλλον είναι πολύ πιθανό να έχουν επιμολυνθεί.

The rock art in questions is located at 14 sites in three different regions of Southern Africa: the Thune Dam, Botswana, the Phuthiatsana Valley, Lesotho and the Maclear District in South Africa.

Τα τελευταία χρόνια ωστόσο, με τη συνεχή βελτίωση των τεχνικών της ραδιοχρονολόγησης, κάποια πρόοδος έχει σημειωθεί και σε αυτόν τον τομέα, και οι επιστήμονες έχουν κατορθώσει να χρονολογήσουν άμεσα αρκετές βραχογραφίες. Με αυτή την τελευταία δουλειά σε σπήλαια της Αφρικής οι ερευνητές προχώρησαν ένα βήμα πιο πέρα εφαρμόζοντας μια καινούργια μεθοδολογία η οποία, όπως περιγράφουν στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Antiquity», έδωσε αποτελέσματα επιτρέποντας την άμεση χρονολόγηση πολλών βραχογραφιών σε σπήλαια της Νότιας Αφρικής, της Μποτσουάνα και του Λεσότο.

Όχι άλλο κάρβουνο

By collecting samples of paint, researchers were able to identify the types of carbons in the pigments and ultimately date them as more than 5,000 years old – deeming the drawings the ‘earliest directly dated’ paintings in the region.

Η διεθνής ομάδα των ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Λαβάλ του Καναδά, το Πανεπιστήμιο Γουιτγουότερστραντ του Γιοχάνεσμπουργκ και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης εφάρμοσαν τη μέθοδο της ραδιοχρονολόγησης με φασματομετρία μάζας αλλά για να μειώσουν την ποσότητα των δειγμάτων που θα χρησιμοποιούσαν και να αυξήσουν τις πιθανότητες επιτυχίας σχεδίασαν ένα νέο επιστημονικό πρωτόκολλο για τη δειγματοληψία. Αρχικά συνέλεξαν μικροσκοπικά δείγματα από πολλές βραχογραφίες σε 14 θέσεις στις τρεις αυτές αφρικανικές χώρες τα οποία ανέλυσαν ώστε να πάρουν μια εικόνα για τη χημική σύσταση της κάθε βραχογραφίας προκειμένου να εντοπίσουν ποιες από αυτές προσφέρονταν περισσότερο για αυτή τη μέθοδο και άρα είχαν περισσότερες πιθανότητες να χρονολογηθούν σωστά.

The team gathered small paint samples that were analyzed using light microscopy, scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) and Raman and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopies.

Επίσης - και ακόμη πιο σημαντικό - με αυτή την ευρεία δειγματοληψία μπόρεσαν να εντοπίσουν στις βραχογραφίες βαφές οι οποίες να προέρχονται από βραχύβιες οργανικές πρώτες ύλες και όχι από ξυλοκάρβουνο έτσι ώστε να προσπεράσουν τον σκόπελο του ότι το κάρβουνο που χρησιμοποιεί ένας ζωγράφος μπορεί να είναι πολύ παλαιότερο από την εποχή του. Αφού επέλεξαν τα κατάλληλα δείγματα εφάρμοσαν προωθημένες τεχνικές για να τα καθαρίσουν από τυχόν επιμολύνσεις και τελικά προχώρησαν στη ραδιοχρονολόγησή τους με φασματομετρία μάζας.

Αποτελέσματα με πολλές εκπλήξεις

The team discovered that the Bushman people did use charcoal, but they also found soot and carbon black were in the pigment, two items that helped them date the paintings (in the Phuthiatsana Valley, Lesoth).

Ακολουθώντας αυτή τη διαδικασία οι επιστήμονες μπόρεσαν να χρονολογήσουν για πρώτη φορά άμεσα 44 βραχογραφίες, αποδεικνύοντας ότι είναι κατά πολύ παλαιότερες από ό,τι εκτιμούσαν ως τώρα οι μελετητές. Η παλαιότερη βραχογραφία στο νότιο τμήμα της Αφρικής εντοπίστηκε στην Ανατολική Μποτσουάνα και είναι ηλικίας τουλάχιστον 5.700 ετών, ενώ οι βραχογραφίες στη Νότια Αφρική και στο Λεσότο ανάγονται στα 3.000 χρόνια πριν το σήμερα. Αυτές οι νέες, άμεσα προσδιορισμένες ηλικίες θεωρείται ότι αποτελούν τεράστιο βήμα για την αρχαιολογική έρευνα στην Αφρική καθώς προσφέρουν νέες βάσεις για μελέτη.

And in the end, the team was able to determine the first direct dates for rock art in South Africa, which they noted is 5723–4420 cal BP (the Thune Valley, Botswana).

Παράλληλα λύνουν αναπάντητα ερωτήματα όπως το γιατί κάποιες βραχογραφίες δεν φαίνονταν να συνδέονται χρονικά με τα αντικείμενα που έχουν βρεθεί κοντά τους ενώ επίσης αποκαλύπτουν ότι σε αρκετές θέσεις οι ζωγραφιές έχουν γίνει διαδοχικά για περισσότερο από μια χιλιετία. «Αυτό είναι εκπληκτικό» δήλωσε σε δελτίο Τύπου ο καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Γουιτγουότερσραντ στο Γιοχάνεσμπουργκ Ντέιβιντ Πιρς, εκ των συντελεστών της μελέτης, «οι άνθρωποι επέστρεφαν στα ίδια καταφύγια για πολύ μεγάλες χρονικές περιόδους για να κάνουν βραχογραφίες ίδιες με εκείνες που είχαν γίνει πριν από αιώνες ή χιλιετίες. Αυτό το εύρημα έχει βαθιά σημασία για την κατανόησή μας σχετικά με τη θρησκεία των κυνηγών τροφοσυλλεκτών στη Νότια Αφρική».

One of the fish from the site with 5,000-year-old rock art in the Thune Valley, Botswana. Credit: David Pearce

Πέραν της αρχαιολογικής σημασίας που έχουν τα ευρήματα για την ίδια την Αφρική, οι ερευνητές θεωρούν ότι το πρωτόκολλο που ανέπτυξαν μπορεί να βρει πολλές εφαρμογές σε όλον τον κόσμο. Όπως τονίζει στο συμπέρασμά της η Αντελφίν Μπονό, κύρια συγγραφέας της μελέτης, «αποτελεί ένα σημαντικό βήμα στον τομέα της χρονολόγησης των βραχογραφιών γιατί μειώνει το μέγεθος του δείγματος που πρέπει να συλλεχθεί, βελτιστοποιεί τα ποσοστά επιτυχίας της χρονολόγησης και περιορίζει τις επιπτώσεις της ραδιοχρονολόγησης σε τέτοιου είδους πολύτιμα ζωγραφικά έργα παρέχοντας ταυτόχρονα νέες χρονολογικές πληροφορίες».

Πηγές: Adelphine Bonneau et al. The earliest directly dated rock paintings from southern Africa: new AMS radiocarbon dates, Antiquity (2017). DOI: 10.15184/aqy.2016.271 - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=890363