Η σκοτεινή ύλη ως υπερρευστό. Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid

A different kind of dark matter could help to resolve an old celestial conundrum. Credit: Markos Kay for Quanta Magazine

O όρος σκοτεινή ύλη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 80 χρόνια από τον αστρονόμο Fritz Zwicky, ο οποίος συνειδητοποίησε πως απαιτείται κάποια αόρατη βαρυτική δύναμη για να μην διαφεύγουν οι μεμονωμένοι γαλαξίες από τα γιγάντια σμήνη γαλαξιών. Αργότερα, η Vera Rubin και ο Kent Ford χρησιμοποίησαν την έννοια της αόρατης σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν πως οι ίδιοι οι γαλαξίες συγκρατούν τα συστατικά τους και δεν διαλύονται εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους.

Παρότι χρησιμοποιούμε κατά κόρον την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουμε διάφορες καταστάσεις που παρατηρούμε, στην ουσία δεν κατανοούμε την πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης. Ένα απλό θεωρητικό μοντέλο που επιχειρεί να ερμηνεύσει την φύση της υποστηρίζει πως η σκοτεινή ύλη συνίσταται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη και κινούνται αργά υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αυτή η αποκαλούμενη «ψυχρή» σκοτεινή ύλη περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις δομές μεγάλης κλίμακας όμως τα σμήνη γαλαξιών. Όμως, δυστυχώς μάλλον αποτυγχάνει στην περιγραφή των καμπυλών περιστροφής των μεμονωμένων γαλαξιών. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται πως λειτουργεί διαφορετικά στην κλίμακα αυτή.

Justin Khoury, a physicist at the University of Pennsylvania, co-developed the dark matter superfluid model. Credit: Perimeter Institute

Σε μια πρόσφατη προσπάθεια επίλυσης αυτού του αινίγματος, δυο φυσικοί υποστηρίζουν πως η σκοτεινή ύλη έχει την δυνατότητα μετατροπών φάσης σε διαφορετικές κλίμακες. Οι φυσικοί Justin Khoury, στο πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας και ο Lasha Berezhiani, στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον ισχυρίζονται ότι στο ψυχρό και πυκνό περιβάλλον της γαλαξιακής άλω η σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται σε ένα υπερρευστό – μια εξωτική κβαντική κατάσταση της ύλης με μηδενικό ιξώδες. Αν η σκοτεινή ύλη μετασχηματίζεται σε υπερρευστό στην γαλαξιακή κλίμακα, τότε υπεισέρχεται μια νέα δυναμική που θα ερμήνευε τις παρατηρήσεις που αδυνατεί να εξηγήσει το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Στην τεράστια κλίμακα των σμηνών γαλαξιών απουσιάζουν οι ειδικές συνθήκες που απαιτούνται για την δημιουργία μιας υπέρρευστης κατάστασης και η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται όπως η συμβατική ψυχρή σκοτεινή ύλη.

«Είναι μια κομψή ιδέα» λέει ο Tim Tait, φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων σε πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας. Υπάρχουν δυο διαφορετικές φάσεις της σκοτεινής ύλης και αυτή η ιδέα θα μπορούσε να ερευνηθεί σύντομα πειραματικά. Μπορεί τελικά ο γαλαξίας μας να πλέει μέσα σε μια θάλασσα υπερρευστού.

Η απίστευτη συμπεριφορά των υπερρευστών

This illustration shows quantum vortices on the surface of a nano-droplet of superfluid helium. In the background is a wheel-shaped superfluid helium drop. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

Tα υπερρευστά δημιουργούνται στα εργαστήρια από το 1938 και απαιτούνται πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να εκδηλωθούν μακροσκοπικά οι κβαντικές τους ιδιότητες. Ο πρώτος που παρατήρησε υπερρευστό στο εργαστήριο ήταν ο Ολλανδός φυσικός Kamerlingh Onnes. Στα πειράματά του παρατήρησε πως το υγρό ήλιο κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ εμφάνιζε εξωτικές ιδιότητες. Ο βρασμός του ηλίου σταματούσε και το υγρό παρέμενε εντελώς ακίνητο. Οι ιδιότητές του άλλαζαν δραματικά, για παράδειγμα το ιξώδες του μειωνόταν απότομα κατά ένα εκατομμύριο φορές! Το υγρό ήλιο κάτω από την κρίσιμη αυτή θερμοκρασία μπορεί να ανεβαίνει στα τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει και να χύνεται από το χείλος του προς τα έξω, και αντιστρόφως.

Κι όμως ο Onnes δεν ανακοίνωσε την μεγάλη αυτή ανακάλυψη, ίσως γιατί δεν πίστευε αυτό που έβλεπε.

Το υπερρευστό ήλιο και η συμπύκνωση Bose

Δείτε την εξωτική συμπεριφορά του υπερρευστού ηλίου. Helium becomes superfluid and displays amazing properties.

Τα μυστηριώδη φαινόμενα που εμφανίζει το υπερρευστό ήλιο έχουν την βάση τους στον διαχωρισμό των βασικών σωματιδίων της ύλης σε φερμιόνια (ημιακέραιο σπιν) και μποζόνια (ακέραιο σπιν). Τα φερμιόνια (π.χ. ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και γενικότερα τα σωματίδια της «ύλης») υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, κάτι που αρνούνται πεισματικά τα μποζόνια ( π.χ. φωτόνια, γλοιόνια και γενικότερα οι φορείς των δυνάμεων). Ο ινδός φυσικός Sateyndra Bose (εξού και το όνομα μποζόνια), σε συνεργασία με τον Albert Einstein το 1924 διατύπωσαν την θεωρία της συμπύκνωσης των μποζονίων στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση: κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα μποζόνια «συμπυκνώνονται» χωρίς την επενέργεια ελκτικών δυνάμεων. Αρχικά το φαινόμενο αυτό θεωρήθηκε πως ήταν εντελώς θεωρητικό, μέχρι το 1938 όταν οι πειραματικοί τόλμησαν να δημοσιεύσουν τις παρατηρήσεις τους σχετικά με το υγρό ήλιο. Το ήλιο περιέχει στον πυρήνα του δυο πρωτόνια και δυο νετρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν.

Συνολικά όμως το σπιν του ⁴He είναι ακέραιος αριθμός, συνεπώς συμπεριφέρεται ως μποζόνιο. Οι ιδιότητες του υγρού ηλίου κάτω από την θερμοκρασία των 2 Κ είναι αποτέλεσμα της «συμπύκωνσης» των ατόμων του ηλίου στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Τότε όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, κι αυτό εμφανίζεται στην συμπεριφορά τους ως μια μορφή «συνεργασίας» προκαλώντας τις εξωτικές ιδιότητές. Δεν είναι τίποτε άλλο παρά άλλη μια εκδήλωση των ιδιομορφιών της κβαντικής στον μακρόκοσμο.

Αξίζει να σημειωθεί και η περίπτωση του ισοτόπου του ηλίου ³He που στον πυρήνα του περιέχει δυο πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Διαθέτει λοιπόν ημιακέραιο σπιν και συμπεριφέρεται ως φερμιόνιο. Πράγματι λοιπόν κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ δεν εμφανίζει την υπερρευστότητα του ⁴He. Όμως, στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία των 0,002 Κ εμφανίζεται μια νέα μορφή υπερρευστότητας εξαιτίας της συμπύκνωσης Bose. Πως γίνεται τα φερμιόνια να συμπυκνώνονται σαν μποζόνια; Απλά, στην χαμηλή αυτή θερμοκρασία οι ασθενέστατες ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων του ηλίου ³He είναι ικανές να δημιουργούν ζεύγη ατόμων ηλίου ³He, τα οποία συνολικά έχουν ακέραιο σπιν, οπότε συμπεριφέρονται ως μποζόνια!

Τα υπερρευστά μπορεί να μην εμφανίζονται στην καθημερινή ζωή, εμφανίζονται όμως στο εσωτερικό των άστρων νετρονίων και κάποιοι φυσικοί υποθέτουν πως ο χωροχρόνος μπορεί να συμπεριφέρεται ως υπερρευστό.

Γιατί λοιπόν και η σκοτεινή ύλη να μην εμφανίζει επίσης μια υπερρευστή φάση;

Ένα διαφορετικό είδος σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να λύσει ένα παλιό αστροφυσικό αίνιγμα. Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Για να δημιουργηθεί ένα υπερρευστό από μια συλλογή σωματιδίων απαιτούνται δυο πράγματα: η συσσώρευση των σωματιδίων σε πολύ μεγάλες πυκνότητες και η ψύξη τους σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Στο εργαστήριο οι φυσικοί περιορίζουν τα σωματίδια σε μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας λέιζερ ελαττώνουν την κινητική ενέργεια των σωματιδίων, μειώνοντας έτσι την θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Μέσα στους γαλαξίες, τον ρόλο της ηλεκτρομαγνητικής παγίδας, θα μπορούσε να παίξει η βαρυτική έλξη του γαλαξία, η οποία θα μπορούσε να συμπυκνώσει την σκοτεινή ύλη τόσο ώστε να ικανοποιεί την συνθήκη πυκνότητας των υπερρευστών. Η απαίτηση για πολύ χαμηλή θερμοκρασία μπορεί ικανοποιείται εύκολα. Ο θερμοκρασία του διαστήματος είναι από μόνη της  πολύ χαμηλή.

Όμως τι το σημαντικό προσφέρει η θεώρηση της σκοτεινής ύλης ως υπερρευστό; Πως μπορεί αυτή η ειδική φάση-κατάσταση να αλλάξει τον τρόπο που η σκοτεινή ύλη φαίνεται να συμπεριφέρεται;

Αυτή η προσέγγιση είναι μοναδική γιατί δείχνει πως το υπερρευστό μπορεί να οδηγήσει σε μια έξτρα δύναμη.

Στη φυσική αν «διαταράξετε» ένα πεδίο είναι πιθανό να δημιουργήσετε ένα κύμα. «Ανακινείστε» μερικά ηλεκτρόνια, π.χ. σε μια κεραία και θα πάρετε ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Διαταράξτε ένα βαρυτικό πεδίο με δυο συγκρουόμενες μαύρες τρύπες και θα δημιουργήσετε βαρυτικά κύματα.

Ο «δεύτερος ήχος» στο υπερρευστό ήλιο. A 1963 film by Alfred Leitner demonstrating the remarkable properties of liquid helium when cooled below the lambda point (the superfluid state). Heat is conducted at 20 M/s in a way which is totally different to convention heat conduction.

Παρομοίως αν διαταράξετε ένα υπερρευστό, θα παραχθούν φωνόνια – ηχητικά κύματα στο ίδιο το υπερρευστό. Στο υπερρευστό ήλιο, για παράδειγμα, έχουν παρατηρηθεί ηχητικά κυματοπακέτα, δηλαδή τοπικές διαταραχές πυκνότητας, ενώ συνολικά η πυκνότητα δεν μεταβάλλεται. Το φαινόμενο ονομάστηκε «δεύτερος ήχος».

Αυτά τα φωνόνια είναι που δημιουργούν μια επιπλέον δύναμη, εκτός από τη βαρύτητα, που είναι ανάλογη με την ηλεκτροστατική δύναμη των φορτισμένων σωματιδίων. Σύμφωνα με τον Khoury, «η εμφάνιση της δύναμης αυτής, εγγενώς συνδεδεμένης με την σκοτεινή ύλη, θα μπορούσε να εξηγήσει την αινιγματική της συμπεριφορά στους γαλαξίες».

Ένα διαφορετικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης

The laws of physics work both forward and backward in time. So why does time seem to move in only one direction? One potential answer may also reveal the secrets of the universe’s missing mass. Credit: Matthew DiVito; modified for Quanta Magazine

Οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης προσπαθούν εδώ και χρόνια να ανιχνεύσουν τα υποθετικά σωματίδια σκοτεινής ύλης, τα WIMPs. Πρόκειται για σωματίδια με μάζα που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, η ύπαρξη των οποίων θα μπορούσε να εξηγηθεί με θεωρίες πέραν του καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Όμως, δυστυχώς μέχρι σήμερα, κανείς δεν είδε κανένα WIMP. Καθώς περνάει ο χρόνος, οι ελπίδες ανίχνευσής τους εξανεμίζονται και οι φυσικοί στρέφονται σε άλλες ερμηνείες για την συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης.

Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που θα έκαναν την ιδέα της υπερρευστότητας της σκοτεινής ύλης να λειτουργήσει σίγουρα δεν είναι τα WIMPs. Τα WIMPs έχουν πολύ μεγάλη μάζα (100 φορές την μάζα του πρωτονίου), ενώ για να δουλέψει το σενάριο του Khoury τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πρέπει να έχουν ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερη μάζα. Οπότε θα πρέπει να υπάρχουν δισεκατομμύρια φορές περισσότερα σωματίδια σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, έτσι ώστε να δημιουργούν τα βαρυτικά φαινόμενα και την συμπύκνωση που απαιτείται για τον σχηματισμό υπερρευστού. Εκτός αυτού τα WIMPs δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ενώ τα σωματίδια της υπερρευστής σκοτεινής ύλης απαιτεί έντονα αλληλεπιδρώντα μεταξύ τους σωματίδια.

Ο καλύτερος υποψήφιος είναι το αξιόνιο, ένα υποθετικό σωματίδιο με μάζα 10.000 τρισ. τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από την μάζα του ηλεκτρονίου. Σύμφωνα με τον Chanda Prescod-Weinstein, θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, τα αξιόνια θα μπορούσαν να δημιουργήσουν συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Όμως το κλασικό αξιόνιο δεν ανταποκρίνεται στις ανάγκες του μοντέλου των Khoury και Berezhiani. Στο μοντέλο τους τα σωματίδια θα πρέπει να αισθάνονται μια ισχυρή απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Τα συνηθισμένα μοντέλα αξιονίων περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις ασθενείς και ελκτικές. Το ζήτημα αυτό είναι ακόμα υπό διερεύνηση.

Πειραματική επιβεβαίωση της υπερρευστής σκοτεινής ύλης

Κβαντικοί στρόβιλοι στο υπερρευστό ήλιο. Visualization of quantized vortices in superfluid helium using frozen particles done at the University of Maryland. Video by Enrico Fonda

Το επόμενο βήμα για τους Khoury και Berezhiani είναι να βρεθεί ένας τρόπος πειραματικού ελέγχου του μοντέλου τους – να ανιχνευθεί κάποιο σημάδι που θα διέκρινε την ιδέα της υπερρευστής ύλης από την συνήθη ψυχρή σκοτεινή ύλη.

Μια τέτοια δυνατότητα θα μπορούσε να δώσει ο στροβιλισμός της σκοτεινής ύλης. Στο εργαστήριο, τα περιστρεφόμενα υπερρευστά δημιουργούν στροβίλους που συνεχίζουν χωρίς ποτέ να χάνεται ενέργεια. Η υπερρευστή σκοτεινή ύλη στην άλω ενός γαλαξία πρέπει να περιστρέφεται αρκετά γρήγορα παράγοντας συστοιχίες στροβίλων. Αν οι στροβιλισμοί ήταν τεράστιοι και ισχυροί θα μπορούσαμε να τους ανιχνεύσουμε άμεσα.

Δυστυχώς όμως αυτό μάλλον είναι απίθανο. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστές δείχνουν ότι οι δίνες της υπέρρευστης σκοτεινής ύλης είναι πολύ αδύναμες. Ίσως διαμέσου του φαινομένου του βαρυτικού φακού να μπορούσε κανείς να δει κάποια φαινόμενα σκέδασης, παρόμοια με αυτά που προκαλεί ένας κρύσταλλος που σκεδάζει το φως των ακτίνων Χ που διέρχονται μέσα από αυτόν.

Οι αστρονόμοι θα μπορούσαν επίσης να αναζητήσουν έμμεσες ενδείξεις της υπέρρευστης σκοτεινής ύλης παρατηρώντας συγχωνεύσεις γαλαξιών.

Η ταχύτητα σύγκρουσης των γαλαξιών θα έπρεπε να επηρεάζεται από την επονομαζόμενη δυναμική τριβή. Όταν ένα μεγάλο σώμα διασχίζει μια «θάλασσα» σωματιδίων, τότε τα σωματίδια παρασύρονται και το μεγάλο σώμα επιβραδύνεται λίγο. Αν όμως η σκοτεινή ύλη των γαλαξιών βρίσκεται σε υπερρευστή κατάσταση τότε δεν θα υπάρχει τέτοια τριβή. Η απουσία της δυναμικής τριβής θα άφηνε την «υπογραφή» της στην εξέλιξη της συγχώνευσης των γαλαξιών, αποδεικνύοντας έμμεσα την ύπαρξη της υπερρευστότητας.

Τελικά, ίσως τέτοιου είδους θεωρίες, όπως της υπερρευστής σκοτεινής ύλης, να μας αποπροσανατολίζουν και να μην βλέπουμε κάτι πιο θεμελιώδες, όμως αξίζει να διερευνηθούν μέχρι τέλους. Θα ήταν πράγματι πολύ εντυπωσιακό τα υπερρευστά που δημιουργήθηκαν τεχνητά στο εργαστήριο να υπάρχουν στη φύση σε γαλαξιακή κλίμακα.

Πηγές: «Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid», Jennifer Ouellette - physicsgg

Νέο ρεκόρ κβαντικής τηλεμεταφοράς σε απόσταση 1.200 χλμ. World’s First Quantum-Enabled Satellite Sets Distance Record for Quantum Entanglement

Chinese researchers have successfully demonstrated satellite-based distribution of entangled photon pairs to two locations separated by 747.5 miles (1,203 km) on Earth, through two satellite-to-ground downlinks with a summed length varying from 994 to 1,491 miles (1,600-2,400 km). Image credit: U.S. Army.

Κινέζοι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι πέτυχαν το φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης δύο φωτονίων σε απόσταση 1.203 χιλιομέτρων, πετυχαίνοντας ένα νέο παγκόσμιο ρεκόρ και καταρρίπτοντας κατά πολύ το προηγούμενο ρεκόρ που ήταν περίπου 100 χιλιόμετρα. Οι Κινέζοι ερευνητές ανέφεραν την επιτυχή δορυφορική μετάδοση των κβαντικά «διαπλεκόμενων» φωτονίων (σωματιδίων του φωτός) μεταξύ της Γης και του διαστήματος. Με αυτό τον τρόπο, έκαναν ένα άλμα προς τον τελικό στόχο της δημιουργίας κρυπτογραφημένων κβαντικών δικτύων τηλεπικοινωνιών και Ίντερνετ, τα οποία θεωρούνται αδύνατο να πέσουν θύμα χάκερ.

Quantum entanglement—physics at its strangest—has moved out of this world and into space. In a study that shows China's growing mastery of both the quantum world and space science, a team of physicists reports that it sent eerily intertwined quantum particles from a satellite to ground stations separated by 1200 kilometers, smashing the previous world record. The result is a stepping stone to ultrasecure communication networks and, eventually, a space-based quantum internet. CREDITS: (GRAPHIC) C. BICKEL/SCIENCE; (DATA) JIAN-WEI PAN

Ο κινεζικός δορυφόρος Micius, ο οποίος είχε τεθεί σε τροχιά πέρυσι το καλοκαίρι, είναι ο πρώτος διεθνώς που έχει εφοδιασθεί με τον κατάλληλο εξοπλισμό για κβαντικά πειράματα. Χρησιμοποιήθηκε για την κβαντική επικοινωνία με τρεις επίγειους κινεζικούς σταθμούς που απείχαν μεταξύ τους απόσταση περίπου 1.200 χλμ., ενώ η απόσταση του δορυφόρου από τους σταθμούς ποίκιλε από 500 έως 2.000 χλμ. Οι ερευνητές της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, με επικεφαλής τον καθηγητή κβαντικής φυσικής Τζιάν-Γουέι Παν του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Χεφέι, έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science».

Η κβαντική σύμπλεξη επιτρέπει σε δύο σωματίδια να συμπεριφέρονται παρόμοια, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται το ένα από το άλλο και έχει χαρακτηριστεί ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα του μικρόκοσμου. Στο φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης βασίζεται και η κβαντική τηλεμεταφορά. Υπενθυμίζεται ότι η κβαντική τηλεμεταφορά αναφέρεται στην μεταφορά της κατάστασης ενός σωματιδίου σε ένα άλλο. Είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί εφόσον είμαστε διατεθειμένοι να καταστρέψουμε την κατάσταση του πρώτου.

Η δυνατότητα των σωματιδίων να συνδέονται κβαντικά μπορεί να επιτρέψει την μετάδοση κρυπτογραφημένων πληροφοριών από το ένα μέρος της Γης στο άλλο μέσω ασφαλών κβαντικών «καναλιών», χωρίς κάποιος «ωτακουστής» να είναι σε θέση να τις υποκλέψει, αντίθετα με το σημερινό διάτρητο Ίντερνετ, που εκμεταλλεύονται μυστικές υπηρεσίες και χάκερ.

«Είναι ένα πρώτο βήμα -και ένα σημαντικό βήμα- για τη δημιουργία ενός πραγματικά παγκόσμιου κβαντικού δικτύου. Όλες οι προηγούμενες μέθοδοι περιορίζονταν σε απόσταση περίπου 100 χλμ., συνεπώς μπορούσαν να δουλέψουν μόνο σε μια πόλη», δήλωσε ο Παν.

Όπως είπε, η σημερινή κρυπτογράφηση των δεδομένων βασίζεται σε πολύπλοκα μαθηματικά, που και αυτά όμως μπορεί να τα «σπάσουν» οι χάκερ με τη βοήθεια ισχυρών υπολογιστών.

«Αλλά σε ένα μελλοντικό κβαντικό δίκτυο η ασφάλεια θα διασφαλίζεται από τους ίδιους τους νόμους της φυσικής, οι οποίοι είναι ασφαλείς χωρίς περιορισμούς. Αυτό θα είναι ωφέλιμο για όλους τους ανθρώπους», πρόσθεσε ο Κινέζος επιστήμονας, ο οποίος συνεργάζεται προς αυτή την κατεύθυνση με Ευρωπαίους συναδέλφους του, με επικεφαλής τον φυσικό Άντον Τσάϊλινγκερ του Πανεπιστημίου της Βιέννης (ο οποίος υπήρξε καθηγητής του Παν), που κατείχαν το προηγούμενο ρεκόρ κβαντικής διεμπλοκής.

Οι ομάδες των Παν και Τσάιλινγκερ θα επιδιώξουν να δημιουργήσουν μια ασφαλή κβαντική σύνδεση μεταξύ Πεκίνου και Βιέννης. Ήδη οι Ευρωπαίοι φυσικοί προωθούν τη δημιουργία του Qapital, ενός κβαντικού δικτύου που θα συνδέει πολλές πρωτεύουσες της Ευρώπης, κυρίως μέσω οπτικών ινών. Σύμφωνα με τον Τσάϊλινγκερ, το μελλοντικό κβαντικό διαδίκτυο θα βασίζεται τόσο στις οπτικές ίνες, όσο και στους δορυφόρους.

Προς το παρόν πάντως υπάρχουν αρκετές ακόμη τεχνικές δυσκολίες που πρέπει να υπερπηδηθούν. Μεταξύ άλλων, ο κινεζικός δορυφόρος βρίσκεται σε χαμηλή τροχιά και έτσι οι σταθμοί εδάφους μπορούν να «πιάσουν» το κβαντικό σήμα του μόνο για πέντε λεπτά κάθε μέρα, συνεπώς θα χρειασθεί η κατασκευή και εκτόξευση αρκετών νέων δορυφόρων σε υψηλότερες τροχιές.

Πηγές: www.amna.gr – www.sciencemag.org

Μάρκος Μέσκος, «Γενέθλια»

Adam Lupton, Truth is the Lie that we Tell to Ourself

Σήμερα ίσως γιόρταζα τα γενέθλια

για τα είκοσι τρία σκοτωμένα παλικάρια μου.

Και καθώς σήκωνα το ποτήρι

όταν με ανάγκαζαν οι φίλοι με την πρόποσή τους

να ευχηθώ κι εγώ

κάτι τέλος πάντων στον εαυτό μου,

ανασήκωνα ένα ένα τα κορμιά από τα

είκοσι τρία σκοτωμένα μου παλικάρια

μπήγοντας λουλούδια στα λευκά πουκάμισά τους

και φιλώντας τα στο στόμα…

Έργο του Agustín Bejarano από τη σειρά Los ritos del silencio, 2016

Από τη συλλογή «Πριν από τον θάνατο» (1958) 

Οι αριστερόχειρες καλύτεροι στα μαθηματικά. Study finds link between handedness and mathematical skills

Τα μαθηματικά είναι... σπορ για αριστερόχειρες, σύμφωνα με τη νέα μελέτη. Left-handers seem to have, on average, an edge when solving demanding mathematical tasks – at least during primary school and high school. Also, being strongly right-handed may represent a disadvantage for mathematics. Taken together, these findings show that handedness, as an indicator of connectivity between brain hemispheres, does influence cognition to some extent. Barack Obama signs at his desk. Credit: Pete Souza

Οι αριστερόχειρες είναι γενικά καλύτεροι από τους δεξιόχειρες στην επίλυση μαθηματικών προβλημάτων και όσο πιο δύσκολο είναι το πρόβλημα, τόσο μεγαλύτερη είναι η υπεροχή των αριστερόχειρων, σύμφωνα με βρετανική μελέτη που δημοσιεύεται στο επιστημονικό έντυπο Frontiers in Psychology.

Ερευνητές από τη Μ. Βρετανία, με επικεφαλής τον Τζιοβάνι Σάλα του Τμήματος Ψυχολογικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Λίβερπουλ, συνεργάστηκαν με ειδικούς από την Ιταλία και την Ολλανδία και πραγματοποίησαν μια σειρά πειραμάτων σε περισσότερους από 2.300 μαθητές Δημοτικού και Γυμνασίου, οι οποίοι κλήθηκαν να λύσουν μαθηματικά προβλήματα με διαφόρους βαθμούς δυσκολίας.

«Αριστερή» υπεροχή κυρίως στα αγόρια

Οι αριστερόχειρες και οι δεξιόχειρες είχαν σε γενικές γραμμές παρόμοιες επιδόσεις, όταν τα προβλήματα ήταν σχετικά απλά. Όταν, όμως, τα πράγματα δυσκόλευαν, τότε οι αριστερόχειρες υπερτερούσαν, κάτι που φαινόταν ιδιαίτερα στα αγόρια που έγραφαν με το αριστερό χέρι. Ο μέσος αριστερόχειρας ήταν καλύτερος από τον μέσο δεξιόχειρα στην επίλυση απαιτητικών μαθηματικών προβλημάτων.

Επιπλέον, οι «ακραίοι» δεξιόχειρες -που χρησιμοποιούσαν μόνο το δεξί χέρι για να γράψουν, να σχεδιάσουν, να πετάξουν κάτι κ.α.- είχαν κατά μέσο όρο χειρότερες επιδόσεις σε όλα τα μαθηματικά τεστ, σε σχέση με τους «μετριοπαθείς» δεξιόχειρες, που κατά καιρούς χρησιμοποιούσαν και το αριστερό και τους αριστερόχειρες.

Εκτιμάται ότι παγκοσμίως ένα ποσοστό 10-13,5% των ανθρώπων δεν είναι αμιγώς δεξιόχειρες. Λίγοι από αυτούς χρησιμοποιούν άνετα και τα δύο χέρια, αλλά οι περισσότεροι είναι καθαρά αριστερόχειρες. Η προτίμηση στο ένα χέρι ή στο άλλο θεωρείται από τη νευροεπιστήμη ότι αποτελεί εκδήλωση της εγκεφαλικής λειτουργίας. Οι αριστερόχειρες εμφανίζουν κατά μέσο όρο πιο ανεπτυγμένο δεξί ημισφαίριο εγκεφάλου, ενώ οι δεξιόχειρες πιο ανεπτυγμένο αριστερό ημισφαίριο.

Βελτιωμένη «συνδεσμολογία»

The corpus callosum. Credit: Life Science Databases(LSDB)/wikipedia, CC BY-SA

Επιπλέον, το μεσολόβιο, η δέσμη νευρικών ινών που συνδέει τα δύο εγκεφαλικά ημισφαίρια, είναι συνήθως μεγαλύτερη στους αριστερόχειρες, πράγμα που είναι άγνωστο γιατί συμβαίνει. Αυτή η βελτιωμένη «συνδεσμολογία», σύμφωνα με ορισμένους επιστήμονες, επιτρέπει στους αριστερόχειρες να διαθέτουν ανώτερη εγκεφαλική επεξεργασία των πληροφοριών. Αυτό πιθανώς εξηγεί γιατί υπάρχει μεγαλύτερη αναλογία αριστερόχειρων (σε σχέση με το ποσοστό τους στο γενικό πληθυσμό) μεταξύ των μουσικών, των καλλιτεχνών γενικότερα, των αρχιτεκτόνων, των σκακιστών, των μαθηματικών (και δη των ταλαντούχων) κ.α.

Από την άλλη, πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι οι αριστερόχειρες όχι μόνο δεν έχουν κάποιο νοητικό πλεονέκτημα, αλλά υστερούν κιόλας σε σχέση με τους δεξιόχειρες. Μια έρευνα βρήκε ότι τα αριστερόχειρα παιδιά έχουν ελαφρώς υποδέεστερες επιδόσεις σε μια σειρά από αναπτυξιακά τεστ, ενώ μια άλλη διαπίστωσε ότι το ποσοστό των αριστερόχειρων είναι ελαφρώς μεγαλύτερο μεταξύ των ατόμων με νοητική υστέρηση.

Πηγές: Frontiers in Psychology - http://www.tovima.gr/science/medicine-biology/article/?aid=885934

Δεν υπάρχει Σύμπαν χωρίς Μεγάλη Έκρηξη. No Universe without Big Bang

Δεν υπάρχει «ομαλή αρχή»: σχεδόν παράδοξα, μια ομαλή αρχή προκαλεί μεγάλες κβαντικές διακυμάνσεις (δεξιά) και έτσι αποτρέπει την δημιουργία ενός μεγάλου σύμπαντος έτσι όπως το βλέπουμε σήμερα (αριστερά). No "smooth beginning": almost paradoxically, a smooth beginning causes large quantum fluctuations to grow (right), and thus prevents the development of a large universe as we know it (left). Credit: J.-L. Lehners (Max Planck Institute for Gravitational Physics)

Σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η καμπυλότητα του χωροχρόνου στην Μεγάλη Έκρηξη ήταν άπειρη. Στην πραγματικότητα, σ’ αυτό το σημείο αποτυγχάνουν όλα τα μαθηματικά εργαλεία και η θεωρία καταρρέει. Ωστόσο, η ιδέα ότι η αρχή του σύμπαντος θα μπορούσε να ερμηνευθεί με ένα απλούστερο τρόπο, ώστε να αποφευχθούν οι απειρισμοί της Μεγάλης Έκρηξης, εξακολουθούσε (και εξακολουθεί) να είναι ελκυστική. Μια κοσμολογική θεωρία πρέπει να προβλέπει μαζί με την επιτυχημένη δυναμική εξέλιξη του σύμπαντος και μια ερμηνεία της αρχικής κατάστασης. Λύσεις για την αρχική κβαντική κατάσταση προσπάθησαν να δώσουν οι James Hartle και Stephen Hawking με την πρότασή τους «χωρίς σύνορο» και ο Vilenkin με την «κυματοσυνάρτηση σήραγγος».

Τώρα σε μια νέα δημοσίευσή τους [Lorentzian quantum cosmology] οι Job Feldbrugge, Jean-Luc Lehners και Neil Turok, χρησιμοποιώντας καλύτερες μαθηματικές μεθόδους δείχνουν πως αυτές οι ιδέες δεν μπορούν να λειτουργήσουν. Έτσι, η μεγαλειώδης έναρξη της Μεγάλης Έκρηξης συνεχίζει να διατηρεί όλο της το μυστήριο.

Ένας από τους κύριους στόχους της κοσμολογίας είναι να κατανοήσουμε την αρχή του σύμπαντος. Τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίoυ Planck αποδεικνύουν πως πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια το σύμπαν αποτελούσε μια θερμή και πυκνή «σούπα» σωματιδίων. Από τότε το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται. Αυτό είναι το κυρίως δόγμα της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά η θεωρία δεν περιγράφει τα πολύ πρώιμα στάδια, όταν οι συνθήκες που επικρατούσαν ήταν ακραίες. Πράγματι, πηγαίνοντας πίσω προσεγγίζοντας την αρχή, την Μεγάλη Έκρηξη, η ενεργειακή πυκνότητα και η καμπυλότητα αυξάνονται και τείνουν στο άπειρο.

Ως εναλλακτική λύση, οι προτάσεις «χωρίς-σύνορο» και «κυματοσυνάρτηση σήραγγος» υποθέτουν πως το μικροσκοπικό πρώιμο σύμπαν προέκυψε εξαιτίας του κβαντομηχανικού φαινομένου σήραγγος από το τίποτα και στην συνέχεια διαστελλόμενο έφτασε στο μεγαλειώδες μέγεθος που βλέπουμε σήμερα. Η καμπυλότητα του χωροχρόνου θα ήταν μεγάλη, αλλά πεπερασμένη σ’ αυτό το αρχικό στάδιο και η γεωμετρία θα ήταν ομαλή χωρίς σύνορα (βλέπε εικόνα, αριστερά). Αυτή η αρχική διαμόρφωση θα αντικαθιστούσε την Μεγάλη Έκρηξη. Όμως, οι πραγματικές συνέπειες αυτής της υπόθεσης δεν ήταν ξεκάθαρες. Στην νέα δημοσίευση, με την χρήση καλύτερων μαθηματικών μεθόδων επιχειρείται να προσδιορίσουν με σαφήνεια τις επιπτώσεις αυτών των 35χρονων θεωριών.

Τελικά, το αποτέλεσμα της νέας μελέτης είναι πως οι αυτές οι εναλλακτικές λύσεις για την Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι πραγματικές εναλλακτικές. Ως αποτέλεσμα της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, αυτά τα μοντέλα δεν συνεπάγονται πως μόνο ομαλά σύμπαντα προκύπτουν από το τίποτα διαμέσου φαινομένου σήραγγος, αλλά μπορούν επίσης να προκύψουν και μη ομαλά σύμπαντα (βλέπε εικόνα, δεξιά). Μάλιστα, όσο πιο «ακανόνιστα και τσαλακωμένα» τόσο πιο πιθανά είναι. Συνεπώς, η πρόταση «χωρίς σύνορα» δεν συνεπάγεται ένα τεράστιο σύμπαν σαν αυτό που ζούμε, αλλά μάλλον μικροσκοπικά σύμπαντα που καταρρέουν αμέσως.

Ως εκ τούτου δεν μπορεί να παρακάμψει κανείς τόσο εύκολα την Μεγάλη Έκρηξη. Οι ερευνητές Lehners et al προσπαθούν τώρα να κατανοήσουν ποιός μηχανισμός θα μπορούσε να διατηρήσει αυτές τις μεγάλες κβαντικές διακυμάνσεις κάτω από τις πιο ακραίες συνθήκες, επιτρέποντας να ξεδιπλωθεί το μεγάλο μας σύμπαν.

Πηγές: https://www.aei.mpg.de/2062163/ohne-urknall-geht-es-nicht - physicsgg

Ντίνος Χριστιανόπουλος, «Αντιγόνη Υπέρ Οιδίποδος»

Félix Labisse, Monument aux Atrides (La Vénus de Milo mangeant de la viande)

Άνδρες Αθηναίοι, τί μας κοιτάτε με περιέργεια;

Αυτός είν’ ο πατέρας μου, ο Οιδίποδας,

που κάποτε ήταν βασιλιάς τρανός και τώρα

γυρνάει στην αγορά σας πληγωμένος

από τη μοίρα, κουρελιάρης και τυφλός,

παίζοντας το χαλασμένο του οργανάκι.

Άνδρες Αθηναίοι, κάθε οβολός σας

προσθέτει στην καρδιά σας μια ραγισματιά.

Του Οίκου μας τα μυστικά βαραίνουν

απ’ της δικής σας φαντασίας τις προσθήκες.

Αφήστε μας, ώς πότε θα μας σέρνετε

εδώ και κει, σα γύφτο με αρκούδα —

κι οι τραγωδοί να μας ανεβάζουν στα θέατρα,

να μας πολιορκούν για λεπτομέρειες,

και να ρωτούν πώς γίνηκε αυτό,

πώς δεν κατάφερε το χτύπημα να τ’ αποφύγει.

Άνδρες Αθηναίοι, δε σας φτάνει

που ο πατέρας μου υπήρξε ποιητής,

ο πρώτος του συμβολισμού εισηγητής,

που με το επίγραμμα «Απάντηση στη Σφίγγα»

έσωσε τη ζωή πολλών σας — χώρια

η αισθητική απόλαυση· γιατί

στον ιδιωτικό του βίο εισδύετε

και ψάχνετε για οιδιπόδεια συμπλέγματα,

άνομους έρωτες

και ηδονές που απαγορεύει η τρεχάμενη ηθική;

Σας έφτανε η «Απάντηση στη Σφίγγα».

Τ’ άλλα ας τ’ αφήνατε στο μισοσκόταδο.

Στο κάτω κάτω, το ’κανε εν αγνοία του

ενώ εσείς το κάνετε εν πλήρει γνώσει.

 Robin Ironside, Wounded Man in a Bed-Sitting Room, 1951 

Από τη συλλογή «Η εποχή των ισχνών αγελάδων»

Μια έκλειψη 1000 έτη φωτός μακριά από την Γη. Giant ringed planet likely cause of mysterious eclipses

Η ύπαρξη ενός νέου εξωπλανήτη με δακτυλίους εντοπίσθηκε από πολλά τηλεσκόπια. A giant gas planet -- up to 50x the mass of Jupiter, encircled by a ring of dust -- is likely hurtling around a star over 1000 light years away from Earth, according to international team of astronomers. Artist's impression of the giant gas planet orbiting the star PDS 110. Credit: University of Warwick

Μια μεγάλη έκλειψη βρίσκεται προ των πυλών. Δεν πρόκειται για ολική ηλιακή έκλειψη σαν αυτή που θα πραγματοποιηθεί τον Αύγουστο. Πρόκειται για μια έκλειψη που θα συμβεί τον Σεπτέμβριο σε ένα αστέρι το οποίο απέχει χίλια έτη φωτός από τη Γη. Προφανώς είναι πολύ πιο δύσκολο να την παρατηρήσουμε απ’ ό,τι θα ήταν αν η Σελήνη μας περνούσε μπροστά από τον Ήλιο, αλλά αναμένεται να μας δώσει πολλά στοιχεία για το απώτερο σύμπαν.

Σε εργασία που πρόκειται να δημοσιευθεί στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, οι ερευνητές ανακοίνωσαν ότι εντόπισαν έναν τεράστιο πλανήτη, πενήντα φορές μεγαλύτερο από τον Δία, με ένα τεράστιο δακτυλίδι γύρω του, σαν τον Κρόνο, αλλά πολύ μεγαλύτερο. Ο νέος πλανήτης βρίσκεται στο σύστημα του Ωρίωνα, σε απόσταση χιλίων ετών φωτός, και βρίσκεται σε τροχιά γύρω από ένα υπέρλαμπρο, νέο άστρο το οποίο είναι μεν λίγο μεγαλύτερο, αλλά έχει θερμοκρασίες ανάλογες με αυτές του Ηλίου. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαπέντε ετών, πολλά τηλεσκόπια παρατήρησαν το αστέρι. Το 2008 και το 2011 οι επιστήμονες παρατήρησαν παράξενες εκλείψεις.

Περιμένοντας να περιοριστεί το αστρικό φως και μετρώντας τη μείωση της φωτεινότητας, καθώς ο πλανήτης περνάει ανάμεσα στο άστρο και στο τηλεσκόπιο που τον παρατηρεί, είναι μία από τις μεθόδους που μας επιτρέπει να συλλέγουμε πληροφορίες για τους εξωπλανήτες.

«Αυτό που είναι συνταρακτικό είναι ότι και στις δύο εκλείψεις βλέπουμε το φως από το άστρο να μεταβάλλεται με ταχύτητα, κάτι που υποδεικνύει την ύπαρξη δακτυλίων, αλλά αυτοί οι δακτύλιοι είναι στην πραγματικότητα πολλές φορές μεγαλύτεροι από αυτούς που θα βρίσκαμε γύρω από τον Κρόνο», εξηγεί ο αστρονόμος Μάθιου Κενγουέρθι.

Διάγραμμα του συστήματος PDS 110. Το άστρο-ήλιος περιβάλλεται από έναν μεγάλο δίσκο σκόνης. Γύρω από το άστρο περιφέρεται ο τεράστιος πλανήτης PDS 110b που διαθέτει δακτυλίους, πολύ μεγαλύτερους από αυτούς του Κρόνου. Κάθε 808 ημέρες ο τεράστιος εξωπλανήτης πλανήτης κρύβει το φως του μητρικού άστρου. Astronomers have identified that the light from PDS 110 is regularly blocked by a large object — and they predict that these eclipses are caused by the orbit of a giant gas planet.

Να σημειωθεί ότι δεν πρόκειται για το πρώτο αστρικό σώμα με δακτυλίους που βρίσκουμε μακριά από το ηλιακό μας σύστημα, αλλά είναι ίσως το πρώτο που διαθέτει προβλέψιμη και τακτική τροχιά. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειώσει κανείς ότι αυτός ο τεράστιος πλανήτης με τους δακτυλίους δεν έχει ανακαλυφθεί επισήμως. Τα τηλεσκόπια από όλο τον κόσμο πρόκειται να εστιάσουν στo άστρο PDS 110 από τις 9 έως τις 30 Σεπτεμβρίου, οπότε το ουράνιο σώμα αναμένεται να κάνει την εμφάνισή του για ακόμα μία φορά. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι οι παρατηρήσεις τους θα δείξουν ότι ο περιορισμός της φωτεινότητας οφείλεται στο πέρασμα ενός τεράστιου εξωπλανήτη και ενός δακτυλίου από σκόνη και πετρώματα όπου αρχίζουν να σχηματίζονται φεγγάρια.

Πηγές: kathimerini.gr – www2.warwick.ac.uk