Θεωρία χορδών, σκοτεινή ενέργεια και πεμπτουσία. Dark Energy May Be Incompatible With String Theory

Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να είναι ασύμβατη με την θεωρία των χορδών; H θεωρία των χορδών επιτρέπει ένα «τοπίο (landscape)» από πιθανά σύμπαντα, που περιβάλλονται από έναν τέλμα (swampland) λογικά ασύμβατων συμπάντων. Σε όλα τα αποδεκτά και βιώσιμα σύμπαντα η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είτε μειώνεται είτε έχει μια σταθερή αρνητική τιμή, σε αντίθεση με το σύμπαν μας, όπου η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται να έχει μια σταθερή θετική τιμή. String theory permits a “landscape” of possible universes, surrounded by a “swampland” of logically inconsistent universes. In all of the simple, viable stringy universes physicists have studied, the density of dark energy is either diminishing or has a stable negative value, unlike our universe, which appears to have a stable positive value. Maciej Rebisz for Quanta Magazine

Μια νέα δημοσίευση υποστηρίζει πως τα σύμπαντα με το χαρακτηριστικό της σκοτεινής ενέργειας σαν το δικό μας δεν υπάρχουν στο «τοπίο (landscape)» των συμπάντων που επιτρέπεται από την θεωρία των χορδών.

Σύμφωνα με τον θεωρητικό των χορδών Cumrun Vafa και των συνεργατών του [Georges Obied, Hirosi Ooguri, Lev Spodyneiko, Cumrun Vafa, «De Sitter Space and the Swampland»], υπάρχει μια απλή φόρμουλα που υπαγορεύει σε ποια είδη συμπάντων επιτρέπεται η ύπαρξή τους, με βάση την θεωρία των χορδών.

H θεωρία των χορδών αποτελεί για πολλούς την κορυφαία υποψήφια «θεωρία των πάντων» που ενοποιεί την βαρύτητα με τις άλλες τρεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (ηλεκτρομαγνητική, ασθενή και ισχυρή πυρηνική). Η θεωρία επιτρέπει χονδρικά 10⁵⁰⁰ διαφορετικές λύσεις: ένα τεράστιο, ποικίλο «τοπίο» πιθανών συμπάντων. Οι θεωρητικοί των χορδών, όπως ο Vafa, αγωνίζονταν εδώ και χρόνια να θέσουν το δικό μας σύμπαν μέσα στο τοπίο των δυνατοτήτων που μας προσφέρει η θεωρία.

Την αρχική δημοσίευση των Vafa et al, δυο μέρες αργότερα ακολούθησε και δεύτερη [Prateek Agrawal, Georges Obied, Paul J. Steinhardt, Cumrun Vafa, «On the Cosmological Implications of the String Swampland»], σύμφωνα με την οποία καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η πυκνότητα της ενέργειας κενού του (κενού) χώρου πρέπει να μειώνεται γρηγορότερα από έναν συγκεκριμένο ρυθμό. Το συμπέρασμα αυτό φαίνεται να είναι ορθό σε όλα τα απλά μοντέλα συμπάντων που βασίζονται στην θεωρία των χορδών. Αλλά παραβιάζονται δυο ισχυρές πεποιθήσεις που έχουμε για τον πραγματικό κόσμο: θεωρείται αδύνατη η αποδεκτή εικόνα ενός διαστελλόμενου σύμπαντος, μαζί με το κυρίαρχο μοντέλο της εκρηκτικής γέννησής του.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Από το 1998 οι παρατηρήσεις με τηλεσκόπια  έδειξαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Η συνεχώς επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος αποδίδεται σε ένα άγνωστο προς το παρόν είδος βαρυτικής απώθησης που προκαλεί ο κενός χώρος και ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια. Επιπλέον φαίνεται πως η σκοτεινή ενέργεια που «γεμίζει» τον κενό χώρο παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Όμως σύμφωνα με τις τελευταίες δημοσιεύσεις αυτός ο ισχυρισμός δεν ισχύει – η ενέργεια του κενού πρέπει να μειώνεται.

Cumrun Vafa, θεωρητικός φυσικός στο πανεπιστήμιο Χάρβαρντ. Cumrun Vafa, a prominent string theorist at Harvard University, has been mapping the forbidden “swampland” of impossible universes for 13 years. Hayward Photography

Ο Vafa και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν πως τα σύμπαντα με σταθερή θετική ποσότητα ενέργειας κενού, γνωστά ως «σύμπαντα de Sitter», δεν είναι δυνατά. Οι θεωρητικοί των χορδών αγωνίζονται από το 1998, όταν ανακαλύφθηκε η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια, να κατασκευάσουν συμβατά μοντέλα της θεωρίας των χορδών με τα  σύμπαντα de Sitter. Όμως αν ο Vafa έχει δίκιο, τότε αυτές οι προσπάθειες βυθίζονται σε μια λογική ασυνέπεια και τα σύμπαντα de Sitter δεν βρίσκονται στο «τοπίο (landscape)», αλλά σε «βάλτο (swampland)».

Αν αληθεύει αυτός ο ισχυρισμός, τότε η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν μας δεν μπορεί να είναι σταθερή, αλλά πρέπει να πάρει μια μορφή που ονομάζεται «πεμπτουσία (quintessence)». Η πεμπτουσία διαφέρει από την ερμηνεία της σκοτεινής ενέργειας διαμέσου της κοσμολογικής σταθεράς διότι είναι δυναμική. Δηλαδή μεταβάλλεται με τον χρόνο, σε αντίθεση με την κοσμολογική σταθερά που εξ’ ορισμού παραμένει σταθερή.

NASA

Αρκετές έρευνες τηλεσκοπίων βρίσκονται σε εξέλιξη για να διερευνηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια αν το σύμπαν διαστέλλεται με σταθερό επιταχυνόμενο ρυθμό, που θα σήμαινε ότι καθώς δημιουργείται νέος χώρος, μια ανάλογη ποσότητα νέας σκοτεινής ενέργειας εμφανίζεται, ή αν η κοσμική επιτάχυνση βαθμιαία μεταβάλλεται, όπως προβλέπουν τα μοντέλα που περιλαμβάνουν την έννοια της πεμπτουσίας.

Μια ανακάλυψη της πεμπτουσίας θα φέρει (προφανώς) επανάσταση στη φυσική και την κοσμολογία, συμπεριλαμβανομένης της αναδιατύπωσης της ιστορίας του κόσμου και του μέλλοντός του. Αντί της Μεγάλης Ρήξης (Big Rip), ένα σύμπαν πεμπτουσίας θα επιβραδυνόταν σταδιακά, και στα περισσότερα μοντέλα, η διαστολή θα σταματούσε τελικά και θα άρχιζε η συστολή του προς μια Μεγάλη Σύνθλιψη ή Μεγάλη Αναπήδηση.

Πηγές: https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-incompatible-with-string-theory-20180809/ - physicsgg