InScience Magazine

Tag: κοσμολογία

  • Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – Σύμφωνα με τη Φυσική

    Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – Σύμφωνα με τη Φυσική

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ Ν. ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ

    ISBN 978–618–230–123–4
    Διαστάσεις: 17 x 24 cm
    Αριθμός σελίδων: 344
    Τιμή: € 18
    Έτος έκδοσης: 2025Περιγραφή

    Αυτόν τον Κόσμο, που εκτείνεται από το αφάνταστα μικρό μέχρι το αδιανόητα μεγάλο, μπορούμε άραγε να τον κατανοήσουμε; Ναι, απαντά η Φυσική (και τούτο το βιβλίο επιδιώκει να τεκμηριώσει την καταφατική απάντηση), αρκεί να επικεντρωθούμε σε εκείνους τους σχηματισμούς που είναι λίγο-πολύ αυθύπαρκτοι, όπως ένα άτομο ή ένα μόριο ή ένα μεταλλικό αντικείμενο ή ένας πλανήτης ή, ακόμη, και ένα άστρο. Αυτό το Ναι μας υποχρεώνει όμως να δείξουμε πώς προκύπτουν οι ιδιότητες όλων αυτών των σχηματισμών: Τελικά από τρία μόνο είδη μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν σταδιακά την ύλη με την παρέμβαση των ελκτικών δυνά¬μεων, κυρίως της ηλεκτρικής και της βαρυτικής· πέρα από τα σωματίδια και τις δυνάμεις χρειάζεται και κάτι άλλο που είναι «εκ των ων ουκ άνευ».

    Αυτό το κάτι άλλο υποδηλώνει την ύπαρξή του από το γεγονός ότι οι ελκτικές δυνάμεις παύουν από κάποιο σημείο και πέρα να φέρνουν ολοένα και πιο κοντά το ένα στο άλλο τα μικροσκοπικά σωματίδια. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο σε όλα τα άτομα του υδρογόνου, αντί να πέσει πάνω στο πρωτόνιο, παραμένει πάντοτε σε μια σταθερή μέση απόσταση από αυτό, η οποία είναι περίπου 50.000 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος του πρωτονίου. Αυτό το κάτι άλλο εξηγεί επίσης γιατί ο όγκος ενός λευκού νάνου γίνεται ο μισός όταν η μάζα του διπλασιάζεται.

    Ποιο είναι λοιπόν αυτό το κάτι άλλο; Είναι ο «δυσκολοχώνευτος» δυισμός κύματος-σωματιδίου (ΚΣΔ). Το γεγονός, δηλαδή, ότι τα μικροσκοπικά σωματίδια δεν ακολουθούν τροχιά, αλλά κινούνται σαν να ήταν κύματα. Από τον ΚΣΔ έπεται η ακατάπαυστη κίνηση των μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν την ύλη και η συνακόλουθη απωστική πίεση που ασκούν αυτά, η οποία, από κάποιο σημείο και πέρα, εξισορροπεί τη συμπίεση των δυνάμεων και αποκαθιστά την ισορροπία.

    Η εικόνα του εξωφύλλου συμπυκνώνει το περιε¬χόμενο του βιβλίου ως εξής:

    • Οι πυρηνικές δυνάμεις (κίτρινη περιοχή) έλκουν (ή και μετατρέπουν) μικροσκοπικά αδιαί¬ρετα σωματίδια (τα u, d) και σχηματίζουν πρωτόνια, νετρόνια και πυρήνες.
    • Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (πράσινη περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει πυρήνες και ηλεκτρόνια (e) και σχηματίζει άτομα, μόρια, …, ανθρώπους, …, φεγγάρια και (εν μέρει) πλανήτες.
    • Η βαρυτική δύναμη (γαλάζια περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει άτομα και μόρια και σχηματίζει (εν μέρει) πλανήτες, και ενεργά άστρα, λευκούς νάνους, αστέρες νετρονίων, γαλαξίες, …
    • Στη συμπίεση αυτών των ελκτικών δυνά¬μεων αντιτίθεται μια ακατάπαυστη κίνηση (κυρίως των ηλεκτρονίων) που αποκαθιστά την κατάσταση ισορροπίας της ύλης και τις όποιες ιδιό¬τητές της.
    • Αυτή η τόσο σημαντική ακατάπαυστη κίνηση (χάρη στην οποία υπάρχουμε) προκύπτει σχεδόν πάντα από την αρχή της απροσδιοριστίας και την απαγορευτική αρχή. Ο τύπος στο κέντρο δίνει την ενέργειά της.

    Bιογραφικά Συγγραφέα

    Ο Ελευθέριος Ν. Οικονόμου είναι Έλληνας θεωρητικός φυσικός και ομότιμος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης. Συνέβαλε στη δημιουργία του Πανεπιστημίου Κρήτης και διετέλεσε πρώτος Διευθυντής και Πρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) (1983–2004).

  • ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ Ή ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΒΑΡΥΤΗΤΑ;

    ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ Ή ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΒΑΡΥΤΗΤΑ;

    To σμήνος γαλαξιών Bullet, στο οποίο δύο σμήνη γαλαξιών συγκρούονται και διαπερνούν το ένα το άλλο. Ο τρόπος με τον οποίο διαχωρίζεται η στερεά ύλη (μπλε) και η αέρια μάζα (κόκκινο) των δύο σμηνών αποτελεί για πολλούς την ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, καθότι το φαινόμενο αυτό είναι αδύνατον να εξηγηθεί με μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας.

    Δρ. Αντώνης Αντωνίου

    Γλωσσική επιμέλεια: Κωνσταντίνα Γεωργούλια

    Στο άρθρο αυτό, παρουσιάζουμε τις σημαντικότερες επιστημονικές εξελίξεις, οι οποίες οδήγησαν στην εισαγωγή της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης στο καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο για τη φύση και τη σύσταση του Σύμπαντος. Μια σύντομη ιστορική αναδρομή στα γεγονότα που διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο για την καθολική αποδοχή της σκοτεινής ύλης από την επιστημονική κοινότητα καθιστά σαφείς τους λόγους για τους οποίους η υπόθεση αυτή επικράτησε εντέλει έναντι μιας εναλλακτικής υπόθεσης, η οποία βασιζόταν σε μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας.ΠΟΣΕΙΔΩΝΑΣ ΚΑΙ ΗΦΑΙΣΤΟΣ

    Πίσω στο μακρινό 1821, ένας Γάλλος αστρονόμος με το όνομα Alexis Bouvard προχωρούσε στη δημοσίευση λεπτομερών αστρονομικών πινάκων για τις τροχιές ορισμένων πλανητών του ηλιακού συστήματος, μεταξύ των οποίων και ενός νέου πλανήτη, του Ουρανού, ο οποίος είχε ανακαλυφθεί λίγα χρόνια πριν. Ωστόσο, σε αντίθεση με τους άλλους πλανήτες, οι οποίοι κινούνταν σύμφωνα με τους υπολογισμούς του με βάση τη νευτώνεια μηχανική, ο Bouvard σύντομα συνειδητοποίησε, μέσω προσεκτικών παρατηρήσεων, ότι η τροχιά του Ουρανού δεν συνέπιπτε με τους αστρονομικούς του πίνακες. Η εξήγηση που έδωσε ο ίδιος γι’ αυτή την ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης ήταν η ύπαρξη ενός επιπρόσθετου πλανήτη ο οποίος, αν και δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμα, ήταν πιθανότατα υπεύθυνος για τις ανωμαλίες στην τροχιά του Ουρανού. Λίγα χρόνια αργότερα, μετά τον θάνατο του Bouvard, ένας άλλος Γάλλος αστρονόμος και μαθηματικός, ο Urbain Le Verrier, προέβλεψε μέσω μαθηματικών υπολογισμών την ακριβή θέση αυτού του υποθετικού νέου πλανήτη, τον οποίο ονόμασε Ποσειδώνα. Και πράγματι, το 1846, ο Johann Galle και ο μαθητής του Heinrich d’ Arrest, κάνοντας συστηματικές παρατηρήσεις στο αστεροσκοπείο του Βερολίνου, κατάφεραν να εντοπίσουν τον υποθετικό αυτό πλανήτη, καθιστώντας με αυτό τον τρόπο τον Ποσειδώνα τον πρώτο πλανήτη του οποίου η θέση προσδιορίστηκε με βάση μαθηματικούς υπολογισμούς πριν από την ανακάλυψή του.

    Περίπου μία δεκαετία αργότερα, όντας επηρεασμένος από την επιτυχία της πρόβλεψης του Ποσειδώνα, ο Le Verrier θα κάνει μία ακόμα παρόμοια πρόβλεψη, αυτή τη φορά για να εξηγήσει τις ανωμαλίες στην τροχιά του πλανήτη Ερμή. Όπως και στην περίπτωση του Ουρανού, η παρατηρηθείσα τροχιά του Ερμή παρουσίαζε μικρές αποκλίσεις από τις προβλέψεις της νευτώνειας μηχανικής και η εξήγηση του Le Verrier ήταν πως υπάρχει ένας πλανήτης μεταξύ του Ερμή και του Ήλιου, ο οποίος, αν και δεν είχε ακόμα παρατηρηθεί, ήταν υπεύθυνος γι’ αυτές τις αποκλίσεις. Ωστόσο, σε αντίθεση με τον Ποσειδώνα, ο νέος αυτός υποθετικός πλανήτης, τον οποίο ο Le Verrier ονόμασε Ήφαιστο, δεν εντοπίστηκε ποτέ, παρά τις συστηματικές παρατηρήσεις στα χρόνια που ακολούθησαν. Αντ’ αυτού, χρειάστηκε να περάσουν περίπου 60 ολόκληρα χρόνια μέχρις ότου ο Άλμπερτ Αϊνστάιν να παρουσιάσει το 1915 μια καινούρια θεωρία βαρύτητας, τη γενική θεωρία της σχετικότητας (ΓΘΣ), με βάση την οποία μπορούσε πλέον να γίνει κατανοητή η τροχιά του Ερμή. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, οι παρατηρηθείσες αποκλίσεις του πλανήτη Ερμή από τις προβλέψεις της νευτώνειας μηχανικής δεν οφείλονταν σε κάποιον αθέατο πλανήτη, αλλά ήταν αποτέλεσμα της καμπύλωσης του χωροχρόνου από τη μάζα του Ήλιου. Η περίφημη πειραματική επιβεβαίωση της ΓΘΣ, λίγα χρόνια αργότερα, από τον Sir Arthur Eddington κατά την έκλειψη του Ηλίου, τον Μάιο του 1919, στο νησί Πρίνσιπε, υπήρξε αρκετή για να εγκαταλειφθεί η ιδέα της ύπαρξης του Ήφαιστου και μαζί της η θεωρία του Νεύτωνα ως η κατάλληλη θεωρία βαρύτητας για τις προβλέψεις των πλανητικών τροχιών.

    Το ιστορικό αυτό επεισόδιο για τον Ποσειδώνα και τον Ήφαιστο φέρει αρκετές ομοιότητες με το σύγχρονο πρόβλημα της σκοτεινής ύλης στην κοσμολογία και αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί η συλλογιστική της επιστήμης, όταν υπάρχει ασυμφωνία μεταξύ θεωρητικών προβλέψεων και παρατηρήσεων. Η ειδοποιός διαφορά μεταξύ των περιπτώσεων στις τροχιές του Ουρανού και του Ερμή είναι πως, στην πρώτη περίπτωση, οι ανωμαλίες αποδόθηκαν στην παραμετροποίηση του θεωρητικού μοντέλου και διορθώθηκαν με την εισαγωγή επιπρόσθετης ύλης με τη μορφή ενός πλανήτη διατηρώντας τη θεωρία του Νεύτωνα ανέπαφη, ενώ στη δεύτερη εξομαλύνθηκαν μόνο όταν η αρχική θεωρία αντικαταστάθηκε με μια νέα.

    Υπό μία έννοια, η περίπτωση της σκοτεινής ύλης είναι στην ουσία μια σύγχρονη αναβίωση των επεισοδίων του Ποσειδώνα και του Ήφαιστου. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, η υπόθεση της σκοτεινής ύλης εισήχθη σταδιακά κατά τις δεκαετίες του 1960 και 1970 για την εξήγηση διαφόρων αστρονομικών και κοσμολογικών φαινομένων, τα οποία εκ πρώτης όψεως παρουσίαζαν αποκλίσεις από τις προβλέψεις της νευτώνειας μηχανικής και κατ’ επέκταση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Όπως και στην περίπτωση των ανωμαλιών στο περιήλιο του Ερμή, παράλληλα με την υπόθεση της σκοτεινής ύλης έγιναν, επίσης, κάποιες προσπάθειες για την εξήγηση αυτών των ανωμαλιών μέσω μιας πιθανής τροποποίησης των νόμων της βαρύτητας, με πιο αξιόλογη τη θεωρία της Τροποποιημένης Νευτώνειας Δυναμικής (MOND – Modified Newtonian Dynamics) του Mordehai Milgrom (Milgrom, 1983).

    Επομένως, δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί με έναν άμεσο τρόπο σε ένα ελεγχόμενο πειραματικό περιβάλλον, το ερώτημα που προκύπτει είναι πώς μπορούμε να γνωρίζουμε αν οι ανωμαλίες αυτές οφείλονται όντως σε μια μορφή αθέατης ύλης ή σε λανθασμένες προβλέψεις της ΓΘΣ. Στο άρθρο αυτό, θα δούμε πως παρόλο που προς το παρόν δεν υπάρχει οριστική απάντηση στο συγκεκριμένο ερώτημα, ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, η επιστημονική κοινότητα είχε στη διάθεσή της ισχυρά κίνητρα για να ακολουθήσει την τακτική του Le Verrier και να εισηγηθεί την ύπαρξη μιας ξεχωριστής μορφής ύλης, αγνοώντας στην ουσία την πιθανότητα αντικατάστασης της ΓΘΣ με μια καινούρια θεωρία βαρύτητας. Και παρόλο που το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν έχει ακόμα ανιχνευθεί άμεσα σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων, η επιστημονική κοινότητα εξακολουθεί να έχει πολύ καλούς λόγους να πιστεύει πως η σκοτεινή ύλη είναι υπαρκτή και ως εκ τούτου μια πιθανή τροποποίηση της βαρύτητας με σκοπό την εξήγηση των φαινομένων που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη δεν αποτελεί βιώσιμη επιλογή.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Ο όρος «σκοτεινή ύλη» είναι ένας γενικός όρος που αναφέρεται σε μια υποθετική μορφή ύλης, η οποία αποτελείται από ένα ή περισσότερα σωματίδια ή ακόμα και από αθέατα ουράνια σώματα μεγάλου μεγέθους (τα λεγόμενα MACHOs – Massive Compact Halo Objects), όπως αρχέγονες μελανές οπές, αστέρες νετρονίων κλπ.

    Σε αντίθεση με τη συνηθισμένη ύλη, η οποία αλληλεπιδρά μέσω των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης (τη βαρυτική, την ηλεκτρομαγνητική, την ισχυρή και την ασθενή), η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά κυρίως μόνο μέσω της βαρυτικής δύναμης λόγω της μάζας της, επηρεάζοντας με αυτό τον τρόπο τις κινήσεις των ουράνιων σωμάτων που βρίσκονται κοντά της. Επομένως, η σκοτεινή ύλη δεν ακτινοβολεί και ως εκ τούτου δεν είναι άμεσα ορατή μέσω τηλεσκοπίων σε κανένα ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Μπορεί, ωστόσο, να ανιχνευθεί με έναν έμμεσο τρόπο μέσω της βαρυτικής επίδρασης που έχει πάνω σε ορατά σώματα, όπως αστέρες, γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, και παρόλο που δεν γνωρίζουμε την ακριβή της φύση, μπορούμε μέσω αυτών των έμμεσων παρατηρήσεων, σε συνδυασμό με την απαραίτητη θεωρητική γνώση, να προσδιορίσουμε κάποιες από τις ιδιότητές της. Πράγματι, με την προϋπόθεση ότι η ΓΘΣ είναι η ορθή θεωρία βαρύτητας (τουλάχιστον σε κοσμολογικές κλίμακες), γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 27% της συνολικής μάζας-ενέργειας του σύμπαντος, με το υπόλοιπο 68% να αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια (που αν και είναι, επίσης, «σκοτεινή» αποτελεί ξεχωριστή μορφή ύλης και αφορά εντελώς διαφορετικά φαινόμενα) και μόλις 5% από τη συνηθισμένη βαρυονική ύλη από την οποία αποτελούμαστε εμείς, ο πλανήτης μας, αλλά και το τεράστιο πλήθος των ουράνιων σωμάτων που φωτίζει τον νυκτερινό ουρανό. Επιπλέον, αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται όντως από σωματίδια, τότε τα σωματίδια αυτά είναι «κρύα», κινούνται δηλαδή με χαμηλές ταχύτητες σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός και η μάζα τους είναι μεταξύ 10-3 και 107  eV.

    ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

    Παρόλο που η συλλογιστική για την εισαγωγή της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με την υπόθεση του Ποσειδώνα και του Ήφαιστου, η σκοτεινή ύλη δεν προέκυψε ως πιθανή εξήγηση μιας συγκεκριμένης ανωμαλίας στις κοσμολογικές παρατηρήσεις, αν και συχνά παρουσιάζεται ως τέτοια. Στην πραγματικότητα, η εισαγωγή της σκοτεινής ύλης στο καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο ήταν αποτέλεσμα μιας σύνθετης διαδικασίας σκέψης, η οποία διήρκησε πολλές δεκαετίες και βασίστηκε σε μια σειρά διαφορετικών φαινομένων και θεωρητικών εξελίξεων στην κοσμολογία. Όπως θα δούμε, κάποιες από αυτές τις ανωμαλίες θα μπορούσαν δυνητικά να εξηγηθούν και με μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας, όπως και στην περίπτωση του περιηλίου του Ερμή, ωστόσο ο βαθμός δυσκολίας αυτού του εγχειρήματος και η τεράστια επιτυχία της ΓΘΣ υπήρξαν καθοριστικοί αποτρεπτικοί παράγοντες. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα με τη σειρά.

    Η κρυμμένη μάζα στο σμήνος Coma: Η πρώτη σύγχρονη αναφορά στην υπόθεση της σκοτεινής ύλης αποδίδεται στον Αυστριακό φυσικό Fritz Zwicky (Zwicky, 1933), o οποίος παρατηρώντας το σμήνος γαλαξιών Coma (Εικ. 1) ανακάλυψε ότι οι γαλαξίες στις εξωτερικές περιοχές του σμήνους κινούνταν με πολύ υψηλότερες ταχύτητες από τις αναμενόμενες βάσει της ορατής μάζας του σμήνους και των προβλέψεων της νευτώνειας μηχανικής. Ο Zwicky απέδωσε την ανωμαλία αυτή στην ύπαρξη μιας μορφής σκοτεινής ύλης, η μάζα της οποίας, σύμφωνα με τους (λανθασμένους, όπως αποδείχτηκε αργότερα) υπολογισμούς του, ήταν 400 φορές μεγαλύτερη από την ορατή μάζα. Η δημοσίευση του Zwicky συχνά αναφέρεται ως η σύγχρονη ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, ωστόσο αξίζει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματά του κρίθηκαν από την επιστημονική κοινότητα ως αναξιόπιστα και οι προαναφερθείσες αποκλίσεις αποδόθηκαν σε σφάλματα μετρήσεων. Χρειάστηκε να περάσουν περίπου άλλα 20 χρόνια μέχρι να επαναληφθούν οι συγκεκριμένες μετρήσεις από τους Schwarzchild (Schwarzchild, 1954) και Oort (Oort, 1960) με τα ίδια αποτελέσματα. Ωστόσο, και σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ερευνητές εξέφραζαν τις επιφυλάξεις τους για την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων λόγω της ύπαρξης μεγάλων αβεβαιοτήτων στις μετρήσεις της ορατής μάζας του σμήνους. Με βάση τις σημερινές και πιο ακριβείς μετρήσεις, γνωρίζουμε ότι η μάζα της σκοτεινής ύλης στο σμήνος Coma είναι περίπου 6 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα της ορατής ύλης.

    Εικόνα 1: Το σμήνος γαλαξιών Coma.

    Οι καμπύλες γωνιακών ταχυτήτων: Οι τεχνολογικές εξελίξεις στη ραδιοαστρονομία κατά τη δεκαετία του 1970 άνοιξαν νέους ορίζοντες στη μελέτη γαλαξιών καθώς, μεταξύ άλλων, επέτρεπαν τη λεπτομερή ανάλυση των ταχυτήτων περιστροφής των αερίων και των άστρων στους γαλαξίες. Σύμφωνα με τη νευτώνεια βαρύτητα (η οποία στις κλίμακες γαλαξιών αποτελεί μια πολύ καλή προσέγγιση της πιο ακριβούς ΓΘΣ), η ταχύτητα περιστροφής αυτών των σωμάτων ελαττώνεται όσο αυξάνεται η απόστασή τους από το κέντρο του γαλαξία, καθώς η μεγαλύτερη μάζα βρίσκεται συγκεντρωμένη κοντά στον πυρήνα. Ωστόσο, μια σειρά παρατηρήσεων από τους Kenneth Freeman (Freeman, 1970), Vera Rubin και Kent Ford (Rubin & Ford, 1970) και άλλους, κυρίως από τον γειτονικό γαλαξία της Ανδρομέδας, κατέδειξαν, προς έκπληξη της επιστημονικής κοινότητας, ότι οι γωνιακές ταχύτητες δεν μειώνονται συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο, αλλά παραμένουν σχετικά σταθερές. Όπως και στην περίπτωση του σμήνους Coma, οι ερευνητές απέδωσαν αυτή την ανωμαλία στην πιθανή ύπαρξη επιπρόσθετης αθέατης ύλης στους γαλαξίες, χωρίς ωστόσο να προχωρήσουν σε καμία εισήγηση για την πιθανή φύση της ύλης αυτής.

    Εικόνα 2: Η καμπύλη γωνιακής ταχύτητας του γαλαξία της Ανδρομέδας (Μ31), όπως εμφανίζεται στο άρθρο των Rubin και Ford (Rubin & Ford, 1970). Σε αντίθεση με την πρόβλεψη της νευτώνειας μηχανικής για κατακόρυφη πτώση της ταχύτητας συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο του γαλαξία, οι ταχύτητες περιστροφής των μελών του γαλαξία μένουν σχετικά σταθερές.

    Η σταθερότητα των σπειροειδών γαλαξιών: Την ίδια δεκαετία, η κατακόρυφη αύξηση της διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύος σε κοσμολογικές έρευνες επέτρεψε για πρώτη φορά τη λεπτομερή ανάλυση της συμπεριφοράς γαλαξιών σε ψηφιακές προσομοιώσεις (Miller & Prendergast, 1968; Ηohl, 1971), φέρνοντας στην επιφάνεια μία ακόμα ανωμαλία. Οι προσομοιώσεις αυτές έδειξαν ότι σπειροειδείς γαλαξίες τείνουν να εξελίσσονται σε ελλειψοειδείς γαλαξίες και, επομένως, θα έπρεπε να έχουν διαφορετικό οπτικό αποτύπωμα (Εικ. 3). H κύρια διαφορά μεταξύ των δύο αυτών ειδών γαλαξία είναι ότι στους σπειροειδείς γαλαξίες η ελκτική δύναμη της βαρύτητας προς το κέντρο του γαλαξία εξουδετερώνεται από την περιφορά των άστρων γύρω από το κέντρο λόγω της φυγόκεντρου δύναμης, ενώ στους ελλειψοειδείς η έλξη της βαρύτητας εξουδετερώνεται από τις τυχαίες (μη κυκλικές) κινήσεις των άστρων, οι οποίες δημιουργούν ένα είδος πίεσης με αντίθετη φορά. Το πρόβλημα, ωστόσο, ήταν ότι γαλαξίες όπως ο δικός μας Γαλαξίας, που προϋπήρχαν αρκετά για να επιδείξουν αυτή τη συμπεριφορά, δεν έμοιαζαν με ελλειψοειδή συστήματα που υποστηρίζονται από πίεση. Αντ’ αυτού, η περιστροφή των άστρων γύρω από το κέντρο του γαλαξία φαινόταν αρκετά κυκλική, υποδεικνύοντας ένα σταθερό σύστημα που υποστηρίζεται από την περιστροφή των μελών του και όχι από την εσωτερική πίεση. Το 1973, οι Ostriker και Peebles κατέδειξαν, σε μια πρωτοποριακή μελέτη, ότι η σταθερότητα των σπειροειδών γαλαξιών μπορεί να επιτευχθεί εφόσον υπάρχει μια «άλως» ύλης στις εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών (ένα μη φωτεινό «φωτοστέφανο», δηλαδή, το οποίο περιβάλλει τους γαλαξίες), χωρίς, ωστόσο, να κάνουν οποιαδήποτε υπόθεση για την ύπαρξη κάποιας εξωτικής μορφής σκοτεινής ύλης για τη σύστασή της. Αντ’ αυτού, υπέθεσαν ότι η άλως αποτελείται από συνηθισμένα αντικείμενα χαμηλής φωτεινότητας, όπως λευκοί νάνοι και αστέρια με πολύ χαμηλή μάζα, προτείνοντας περαιτέρω παρατηρήσεις για τον εντοπισμό αυτών των αντικειμένων (Ostriker & Peebles, 1973).

    Εικόνα 3: Οπτικό αποτύπωμα σπειροειδούς γαλαξία (αριστερά) και ελλειψοειδούς γαλαξία (δεξιά).
    (Πηγή: https://science.nasa.gov/universe/galaxies/types/)

    Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου και το πρόβλημα των κοσμικών δομών: H τέταρτη και ίσως πιο σημαντική εξέλιξη για την εγκαθίδρυση της σκοτεινής ύλης αφορούσε το αποτύπωμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (ΚΑΥ) και τη συσχέτισή του με τον σχηματισμό μεγάλων κοσμικών δομών στο πρώιμο σύμπαν. Σε μια σειρά από πρωτοποριακές μελέτες, ο James Peebles (Peebles, 1965; 1966; 1968), μία από τις σημαντικότερες φιγούρες στη σύγχρονη ιστορία της κοσμολογίας, απέδειξε πως για να παραχθούν στο πρώιμο σύμπαν οι συγκεκριμένες κοσμικές δομές που παρατηρούμε σήμερα, οι βαρυτικές διακυμάνσεις στο πλάσμα φωτονίων-βαρυονίων θα έπρεπε να είναι αρκετά μεγάλες, με αποτέλεσμα να προκαλούν αντίστοιχες ορατές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία της ΚΑΥ. Ωστόσο, παρά τις συστηματικές παρατηρήσεις στο φάσμα της ΚΑΥ, οι διακυμάνσεις αυτές δεν είχαν μέχρι τότε παρατηρηθεί, προκαλώντας έναν νέο «πονοκέφαλο» στην επιστημονική κοινότητα. Λίγα χρόνια αργότερα, η πρώτη πιθανή απάντηση προήλθε από ερευνητές, οι οποίοι υπέδειξαν πως η ύπαρξη ενός οποιουδήποτε σταθερού σωματιδίου με σχετικά μεγάλη μάζα στο πρώιμο σύμπαν αποτελούσε «εξαιρετικό υποψήφιο για την ύλη στις γαλαξιακές άλως και για την επιπλέον μάζα που απαιτείται για να συνδεθούν τα μεγάλα σμήνη γαλαξιών», ενώ ταυτόχρονα μπορούσε δυνητικά να λύσει το πρόβλημα του σχηματισμού των μεγάλων κοσμικών δομών (Gunn et al., 1978). Πράγματι, μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1980, μια σειρά από μελέτες (Bond & Efstathiou, 1984; Peebles, 1982; Vittorio & Silk, 1984) απέδειξε πως η ύπαρξη σωματιδίων με χαμηλή αλληλεπίδραση (όπως ακριβώς η σκοτεινή ύλη), στο πρώιμο σύμπαν, οδηγεί στη δημιουργία των σημερινών κοσμικών δομών, με τρόπο που ήταν συμβατός με τις μέχρι τότε διαθέσιμες μετρήσεις στο φάσμα της ΚΑΥ.

    ΓΙΑΤΙ ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Υπό το φως των σημαντικών αυτών εξελίξεων εύκολα μπορεί κανείς να διαπιστώσει γιατί η υπόθεση της σκοτεινής ύλης είχε ήδη υπερισχύσει στη συνείδηση της επιστημονικής κοινότητας στις αρχές της δεκαετίας του 1980, σε αντίθεση με την πιθανή αντιμετώπιση των ανωμαλιών αυτών με μια ενδεχόμενη τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας. Η υπόθεση της σκοτεινής ύλης παρουσιαζόταν όχι μόνο ως μια πιθανή λύση στις ανωμαλίες σχετικά με τη δυναμική συμπεριφορά γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών (ελλιπής μάζα στο σμήνος Coma, καμπύλες γωνιακών ταχυτήτων στην Ανδρομέδα και σταθερότητα σπειροειδών γαλαξιών), αλλά μπορούσε ταυτόχρονα να επιλύσει και ένα, φαινομενικά ανεξάρτητο, θεμελιώδες πρόβλημα σχετικά με τη δημιουργία κοσμικών δομών στο πρώιμο σύμπαν. Αυτή η «ενοποιητική ισχύς» της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης, η ικανότητα της δηλαδή να επιλύσει μια σειρά από διαφορετικά και φαινομενικά ανεξάρτητα προβλήματα με έναν σχετικά απλό τρόπο, διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο στην επικράτησή της έναντι της υπόθεσης της τροποποιημένης βαρύτητας, η οποία αν και αποτελούσε δυνητικά μια εξήγηση για τα προβλήματα δυναμικής φύσεως, άφηνε στην ουσία άλυτο το πρόβλημα της δημιουργίας μεγάλων κοσμικών δομών. Πράγματι, η εισαγωγή της θεωρίας της Τροποποιημένης Νευτώνειας Δυναμικής του Milgrom, στην αρχική της μορφή το 1983, είχε ως μοναδικό στόχο την εξήγηση των καμπυλών γωνιακών ταχυτήτων και χρειάστηκαν άλλα 6 χρόνια για να γίνει κατορθωτή μια προσαρμογή αυτής της νέας θεωρίας στο πρόβλημα της σταθερότητας των σπειροειδών γαλαξιών (Milgrom, 1989). Η επιτυχής διασύνδεση της εναλλακτικής αυτής θεωρίας με το φάσμα της ΚΑΥ παραμένει για πολλούς μέχρι και σήμερα ένα από τα κυριότερα προβλήματά της (Dodelson, 2011).

    Σε αυτό αξίζει να προσθέσει κανείς και την «αναγέννηση» της ΓΘΣ, τις δεκαετίες του 1960-1970, σε πειραματικό και θεωρητικό επίπεδο, και την ουσιαστική της εγκαθίδρυση στη συνείδηση της επιστημονικής κοινότητας ως η καταλληλότερη θεωρία βαρύτητας για τη μελέτη κοσμολογικών φαινομένων. Κατά τη διάρκεια των δυο αυτών δεκαετιών, η ΓΘΣ πέρασε με απόλυτη επιτυχία μια σειρά πειραματικών ελέγχων, κατορθώνοντας σταδιακά να συνδεθεί με παρατηρησιακά φαινόμενα, κυρίως μετά τις πρώτες ενδείξεις για βαρυτικά κύματα, μετά την ανακάλυψη του πρώτου ζεύγους αστέρων νετρονίων, το 1974 (Hulse & Taylor, 1975). Την πειραματική αυτή θριάμβευση της ΓΘΣ συμπλήρωνε μια σειρά εντυπωσιακών θεωρητικών εξελίξεων σχετικά με τις πιθανές προεκτάσεις της θεωρίας για τη φύση και τη θερμοδυναμική των μελανών οπών (Penrose, 1965; Hawking & Penrose, 1970; Hawking, 1976) και των βαρυτικών κυμάτων (Pirani, 1957; Bondi et al., 1962).

    Στον απόηχο των σημαντικών αυτών εξελίξεων, η σταδιακή εμφάνιση μικρών ανωμαλιών στη δυναμική συμπεριφορά των γαλαξιών δεν ήταν αρκετή για να υπονομεύσει την εμπιστοσύνη της επιστημονικής κοινότητας στη ΓΘΣ και αναμενόμενα η λύση αναζητήθηκε στην πιθανή ύπαρξη επιπρόσθετης αθέατης ύλης. Οποιαδήποτε προσπάθεια αντικατάστασης της ΓΘΣ όφειλε όχι μόνο να εξηγήσει τα νέα αυτά φαινόμενα που σχετίζονταν με τη σκοτεινή ύλη, αλλά και να περάσει με την ίδια επιτυχία το πλήθος των πειραματικών ελέγχων της ΓΘΣ που προηγήθηκαν, γεγονός που φανερώνει την τεράστια δυσκολία ενός τέτοιου εγχειρήματος. Ενδεικτικά, η προτεινόμενη θεωρία του Milgrom, στην αρχική της μορφή, παραβίαζε θεμελιώδεις αρχές της φυσικής, όπως η αρχή διατήρησης της ορμής και η αρχή ισότητας μάζας-ενέργειας του Αϊνστάιν, και αυτός ήταν ένας από τους κύριους λόγους για την απόρριψή της από την πλειοψηφία της επιστημονικής κοινότητας. Με άλλα λόγια, ο Milgrom κατόρθωσε να αναπαραγάγει τις απαιτούμενες καμπύλες ταχυτήτων στους γαλαξίες με επιτυχία, ωστόσο η επιτυχία αυτή ήταν εις βάρος μερικών από τις πιο θεμελιώδεις αρχές στη φυσική. Έναν χρόνο αργότερα, με τη βοήθεια του Jacob Bekenstein, o Milgrom διατύπωσε μια νέα μη σχετικιστική εκδοχή της θεωρίας του με στόχο την επίλυση αυτών των βασικών προβλημάτων (Bekenstein & Milgrom, 1984). Και αυτή η προσπάθεια, ωστόσο, είχε  τα δικά της προβλήματα, όπως η ριζοσπαστική συνέπεια της διάδοσης βαρυτικών κυμάτων σε ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός και η απουσία εξήγησης του φαινομένου των βαρυτικών φακών. Η απαίτηση της θεωρίας για τη διάδοση κυμάτων γρηγορότερα από το φως διατηρήθηκε και στη μεταγενέστερη σχετικιστική εκδοχή της θεωρίας του Bekenstein με το όνομα TeVeS (Bekenstein, 2004), η οποία ωστόσο διαψεύστηκε οριστικά από την παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, το 2017 (Boran et al., 2018). Τα ζητήματα αυτά είναι ενδεικτικά του πόσο πιο δύσκολο ήταν το εγχείρημα της αντικατάστασης της ΓΘΣ με μια καινούργια θεωρία, σε σύγκριση με την υιοθέτηση της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης.

    EΠΙΛΟΓΟΣ – Η ΧΑΡΙΣΤΙΚΗ ΒΟΛΗ

    Αναμφίβολα, η οριστική απάντηση στο ερώτημα της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης θα δοθεί μόνο μέσα από την άμεση ανίχνευση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων ή στα λεγόμενα πειράματα άμεσης ανίχνευσης σκοτεινής ύλης, η οποία προς το παρόν δεν έχει ακόμη επιτευχθεί. Ωστόσο, για πολλούς, η ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης μέχρι σήμερα προέρχεται από δύο σημαντικές μεταγενέστερες εξελίξεις, οι οποίες στην ουσία δικαίωσαν την επιλογή της επιστημονικής κοινότητας να αφιερώσει τις προσπάθειές της στη μελέτη της σκοτεινής ύλης από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 και έπειτα. Η πρώτη αφορά τις ακριβείς μετρήσεις στο φάσμα της ΚΑΥ από τους δορυφόρους COBE και WMAP, το 1991 και 2000 αντίστοιχα, οι οποίες επιβεβαίωσαν τις μέχρι τότε μη παρατηρηθείσες μικρές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία της ΚΑΥ εξαιτίας των βαρυτικών διακυμάνσεων του πεδίου της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν. Η δεύτερη αφορά την ανακάλυψη του σμήνους γαλαξιών Bullet Cluster (Clowe et al., 2006), όπου ο διαχωρισμός της ορατής ύλης στην εικόνα του σμήνους μπορεί να εξηγηθεί μόνο με όρους σκοτεινής ύλης και όχι με μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας (κεντρική εικόνα άρθρου). Εν αναμονή μιας πιθανής μελλοντικής άμεσης ανίχνευσης του σωματιδίου (ή των σωματιδίων) της σκοτεινής ύλης σε ελεγχόμενο πειραματικό περιβάλλον, τα δύο αυτά φαινόμενα αποτελούν μέχρι σήμερα για την πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας την ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Θερμές ευχαριστίες στους Θεόδωρο Αραμπατζή και Νίκο Αλεξίου για τις χρήσιμες εισηγήσεις τους ως προς τη βελτίωση του άρθρου, καθώς επίσης και σε μια ομάδα καλών και υπομονετικών φίλων, οι οποίοι λειτούργησαν ως πρώιμοι αναγνώστες. H συγγραφή του άρθρου έγινε στα πλαίσια επικοινωνίας και διάχυσης του ερευνητικού προγράμματος «ANDROMEDA – The epistemology of dark matter and modified gravity» με αριθμό 101130750, το οποίο χρηματοδοτείται από τo πρόγραμμα HORIZON WIDERA TALENTS της Ευρωπαϊκής Ένωσης.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Bekenstein, J., and Milgrom, M., 1984. Does the missing mass problem signal the breakdown of Newtonian gravity? Astrophysical Journal 286, p. 7-14. https://adsabs.harvard.edu/pdf/1984ApJ…286….7B

    Bekenstein, J., D., 2004. Relativistic gravitation theory for the modified Newtonian dynamics paradigm. Physical Review D 70 (8), 083509. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.70.083509

    Bond, J., R., and Efstathiou, G., 1984. Cosmic background radiation anisotropies in universes dominated by nonbaryonic dark matter. The Astrophysical Journal 285, L45–L48. https://articles.adsabs.harvard.edu//full/1984ApJ…285L..45B/L000045.000.html

    Bondi, H., Van der Burg, M., G., J., and Metzner, A., 1962. Gravitational waves in general relativity, vii. Waves from axi-symmetric isolated system. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences 269 (1336), 21–52. https://doi.org/10.1098/rspa.1962.0161

    Boran, S., Desai, S., Kahya, E., and Woodard, R., 2018. Gw170817 falsifies dark matter emulators. Physical Review D 97 (4), 041501. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.041501

    Clowe, D., Bradac, M., Gonzalez, A., H., Markevitch, M., Randall, S., W., Jones, C., and Zaritsky, D., 2006. A direct empirical proof of the existence of dark matter. The Astrophysical Journal 648 (2), L109. https://iopscience.iop.org/article/10.1086/508162

    Dodelson, S., 2011. The real problem with MOND. International Journal of Modern Physics D 20 (14), 2749–2753. https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218271811020561

    Freeman, K., C., 1970. On the disks of spiral and s0 galaxies. Astrophysical Journal 160, p. 811. 10.1086/150474

    Gunn, J., Lee, B., Lerche, I., Schramm, D., and Steigman, G., 1978. Some astrophysical consequences of the existence of a heavy stable neutral lepton. Astrophysical Journal 223, 1015–1031. 10.1086/156335

    Hawking, S., W., 1976. Black holes and thermodynamics. Physical Review D 13 (2), 191. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.13.191

    Hawking, S., W., and Penrose, R., 1970. The singularities of gravitational collapse and cosmology. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences 314 (1519), 529–548. https://doi.org/10.1098/rspa.1970.0021

    Hohl, F., 1971. Numerical experiments with a disk of stars. Astrophysical Journal 168, p. 343. 10.1086/151091

    Hulse, R., A., and Taylor, J., H., 1975. Discovery of a pulsar in a binary system. The Astrophysical Journal 195, L51–L53.  10.1086/181708

    Milgrom, M., 1983a. A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis. The Astrophysical Journal 270, 365–370. 10.1086/161130

    Milgrom, M., 1989. On stability of galactic disks in the modified dynamics and the distribution of their mean surface brightness. The Astrophysical Journal 338, 121–127. 10.1086/167184

    Miller, R., and Prendergast, K., 1968. Stellar dynamics in a discrete phase space. The Astrophysical Journal 151, 699. 10.1086/149469

    Oort, J., H., 1965. Structure and evolution of the galactic system. Transactions of the International Astronomical Union 12 (1), 789–809. https://www.astro.rug.nl/JHOort/byJHO.html

    Ostriker, J., P., and Peebles, P., J., 1973. A numerical study of the stability of flattened galaxies: or, can cold galaxies survive? The Astrophysical Journal 186, 467–480. 10.1086/152513

    Peebles, P., J., E., 1965. The black-body radiation content of the universe and the formation of galaxies. Astrophysical Journal 142, 1317. 10.1086/148417

    Peebles, P., J., E., 1966. Primordial helium abundance and the primordial fireball. Astrophysical Journal 146, 542. 10.1086/148918

    Peebles, P., 1968. Recombination of the primeval plasma. Astrophysical Journal 153, 1–11. 10.1086/149628

    Peebles, P., J., E., 1982. Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations. Astrophysical Journal 263, L1–L5. 10.1086/183911

    Penrose, R., 1965. Gravitational collapse and space-time singularities. Physical Review Letters 14 (3), 57. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.14.57

    Pirani, F. A., 1957. Invariant formulation of gravitational radiation theory. Physical Review 105 (3), 1089. https://doi.org/10.1103/PhysRev.105.1089

    Schwarzschild, M., 1954. Mass distribution and mass-luminosity ratio in galaxies. Astronomical Journal 59, p. 273. 10.1086/107013

    Rubin, V., C., and Ford, W., K., 1970. Rotation of the andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions. Astrophysical Journal 159, p. 379. 10.1086/150317

    Vittorio, N., and Silk, J., 1984. Fine-scale anisotropy of the cosmic microwave background in a universe dominated by cold dark matter. Astrophysical Journal 285, L39–L43. 10.1086/184361

    Zwicky, F., 1933. Die rotverschiebung von extragalaktischen nebeln. Helvetica Physica Acta 6, p. 110-127. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1933AcHPh…6..110Z/abstract
    Ο Δρ. Αντώνης Αντωνίου είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής (Horizon ERA Postdoctoral Fellow) στο Τμήμα Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Επιστήμης, στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών. Έχει ολοκληρώσει τις σπουδές του στη Φιλοσοφία της Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, και έχει επίσης εργαστεί ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Βόννης, στη Γερμανία. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα αφορούν τις φιλοσοφικές προεκτάσεις των θεωριών της σκοτεινής ύλης και της τροποποιημένης βαρύτητας και τη φιλοσοφία της κοσμολογίας γενικότερα.

  • ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΑΝΕ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ; Το ταξίδι ενός θεωρητικού φυσικού στα όρια της πραγματικότητας

    ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΑΝΕ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ; Το ταξίδι ενός θεωρητικού φυσικού στα όρια της πραγματικότητας

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    Michael Dine

    Μετάφραση: Κωνσταντίνος Κυρίτσης

    ISBN 978-618-230-068-8

    Διαστάσεις: 14 x 21 cm
    Αριθμός σελίδων:     360

    Τιμή: € 20

    Έτος έκδοσης: 2024Οι περισσότεροι έχουμε ακούσει για μακρινά άστρα και γαλαξίες. Έχουμε ακούσει ότι το σύμπαν προέκυψε από μια μεγάλη έκρηξη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά τι μέγεθος και τι ηλικία έχει; Από πού προήλθε; Ποια η τελική μοίρα του; Βέβαια, έχουμε επίγνωση της ύπαρξης των ατόμων, ίσως και πραγμάτων πολύ μικρότερων από αυτά. Αλλά πώς είναι δυνατόν να γνωρίζουμε για τους ατομικούς πυρήνες; Πώς γίνεται αυτές οι μικροσκοπικές οντότητες να ελέγχουν τη λειτουργία του σύμπαντος, αλλά και την παρασκευή ενός σάντουιτς, τη χρήση μιας πιστωτικής κάρτας ή τη μετακίνησή μας; Από τις μεγαλύτερες έως τις μικρότερες κλίμακες, το σύμπαν μάς φαίνεται απίστευτα μυστηριώδες. Μπορούμε άραγε να κάνουμε κάτι πέρα από εικασίες για την αρχιτεκτονική και τα δομικά του υλικά; Μπορούμε να σκεφτούμε πειράματα που θα απαντήσουν στην απορία μας για το τι ισχύει σε τόσο εξωπραγματικές κλίμακες;

    Φαίνεται πως ζούμε σε μια εξαιρετική στιγμή της ανθρώπινης ιστορίας. Από τη μία, αντιμετωπίζουμε τεράστιες προκλήσεις: κλιματική αλλαγή, πανδημίες, απειλή πυρηνικού πολέμου. Από την άλλη, διαθέτουμε γνώσεις για τον κόσμο γύρω μας ―και για το σύμπαν― πέρα από οτιδήποτε θα μπορούσε να διανοηθεί κανείς ακόμα και πριν από έναν αιώνα. Ωστόσο, η καθημερινή μας εμπειρία καταλαμβάνει μόνο μια μικρή γωνιά του. Η ζωή μας διαδραματίζεται σε κλίμακες εκατοστών, μέτρων, χιλιομέτρων, ίσως και χιλιάδων χιλιομέτρων. Όμως γνωρίζουμε τη φύση και σε μικρότερες κλίμακες ― πολύ μικρότερες από το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα. Έχουμε επίσης γνώσεις για το σύμπαν σε αφάνταστα μεγάλες αποστάσεις. Ακόμα πιο εκπληκτικό είναι ότι γνωρίζουμε ―αληθινά γνωρίζουμε― γεγονότα που συνέβησαν δισεκατομμύρια χρόνια πριν και ότι μπορούμε να δηλώσουμε με αρκετή σιγουριά τι θα συμβεί στο σύμπαν μέσα στα επόμενα δεκάδες δισεκατομμύρια έτη. Τούτο το βιβλίο επιχειρεί να αφουγκραστεί τον παλμό αυτής της εξαιρετικής στιγμής.

    Περιεχόμενα

    ΒΗΜΑ ΠΡΩΤΟ
    1. Επιθεωρώντας το σύμπαν
    2. Μπορούμε να θεωρούμε δεδομένο τον χώρο και τον χρόνο;
    3. Τι εννοούμε με τον όρο σύμπαν;

    ΒΗΜΑ ΔΕΥΤΕΡΟ
    4. Μπορεί η κβαντομηχανική να προβλέψει το μέλλον;
    5. Οι καρποί της πυρηνικής εποχής
    6. Το βάρος των πιο μικρών πραγμάτων
    7. Αστρικό στερέωμα

    ΤΑ ΕΠΟΜΕΝΑ ΒΗΜΑΤΑ
    8. Γιατί υπάρχει κάτι και όχι τίποτα;
    9. «Το πρόβλημα των μεγάλων αριθμών»
    10. Από τι είναι φτιαγμένο το σύμπαν;
    11. Η σκοτεινή ενέργεια

    ΕΝΑ ΒΗΜΑ ΣΕ ΟΛΙΣΘΗΡΟ ΕΔΑΦΟΣ
    12. Στην αρχή των πάντων
    13. Μπορούμε να καταλήξουμε σε μια τελική θεω­ρία χωρίς να σηκωθούμε από την καρέκλα μας;
    14. Η τοπογραφία της πραγματικότητας
    15. Ρίχνοντας τα ζάρια της θεωρητικής φυσικής

    Σημειώσεις
    Ευχαριστίες
    Ευρετήριο

    ———————————————————————————————————————————–Ο Μάικλ Ντάιν είναι αμερικανός θεωρητικός φυσικός, τακτικός καθηγητής στο Ινστιτούτο Σωματιδιακής Φυσικής της Σάντα Κρουζ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας. Ειδικός στα πεδία της υπερσυμμετρίας και της θεωρίας χορδών, έχει εκτεταμένο ερευνητικό έργο πάνω σε εφαρμογές της θεωρίας των υπερχορδών στην κοσμολογία. Είναι εκλεγμένο μέλος της αμερικανικής Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών από το 2019. Έχει γράψει το σύγγραμμα Supersymmetry and String Theory: Beyond the Standard Model (Cambridge University Press 2007, 2015). Το Από πού πάνε στο σύμπαν; είναι το πρώτο του βιβλίο επιστημονικής εκλαΐκευσης.

  • Η Δομή του Κόσμου: Χώρος, Χρόνος και η Υφή της Πραγματικότητας

    Η Δομή του Κόσμου: Χώρος, Χρόνος και η Υφή της Πραγματικότητας

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ

    Brian Green

    Μετάφραση: Μαριάννα Φλωράκη

    Επιμέλεια – Διόρθωση: Ιωάννα Χατζηγιαννάκη
    ISBN: 978-618-5289-    95–9
    Διαστάσεις: 16 Χ 23
    Αριθμός σελίδων:     598
    Τιμή: € 2     + ΦΠΑ 6%

    Έτος έκδοσης: 2024Οι Εκδόσεις ΡΟΠΗ με χαρά ανακοινώνουν την κυκλοφορία του βιβλίου “Η Δομή του Κόσμου” του διάσημου φυσικού Brian Greene. Το βιβλίο, που έχει κερδίσει διεθνή αναγνώριση, είναι πλέον διαθέσιμο και στα ελληνικά, προσφέροντας στους αναγνώστες την ευκαιρία να εξερευνήσουν τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος με έναν προσιτό και συναρπαστικό τρόπο.

    Ο χώρος και ο χρόνος αιχμαλωτίζουν τη φαντασία όπως κανένα άλλο επιστημονικό αντικείμενο, διαμορφώνοντας την αρένα της πραγματικότητας και την ακριβή δομή του σύμπαντος. Σε αυτό το βιβλίο, ο Brian Greene μας καθοδηγεί σε ένα αποκαλυπτικό ταξίδι από τις απόλυτες αντιλήψεις του Νεύτωνα για τον χώρο και τον χρόνο μέχρι την επαναστατική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν και τις περίπλοκες έννοιες της κβαντικής μηχανικής.

    Οι αναγνώστες θα ανακαλύψουν:

    • Τι ακριβώς είναι ο χώρος και ο χρόνος και αν είναι πραγματικές φυσικές οντότητες ή απλώς χρήσιμες ιδέες.
    • Γιατί ο χρόνος φαίνεται να έχει μια κατεύθυνση και αν έχει κάποια αρχή.
    • Αν το σύμπαν θα μπορούσε να υπάρξει χωρίς χώρο και χρόνο και αν είναι δυνατό το ταξίδι στο παρελθόν.

    Ο Brian Greene καταφέρνει να εξηγήσει σύνθετες φυσικές έννοιες όπως η Θεωρία των Χορδών, η Αρχή της Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ και η Κοσμολογία του Πληθωρισμού με έναν προσιτό τρόπο, χρησιμοποιώντας εύστοχες αναλογίες που καθιστούν το βιβλίο κατανοητό σε ένα ευρύ κοινό.

    Το βιβλίο “Η Δομή του Κόσμου” απευθύνεται στον γενικό αναγνώστη που έχει ελάχιστη έως καθόλου κατάρτιση στις επιστήμες, αλλά η επιθυμία του να κατανοήσει τους μηχανισμούς του σύμπαντος τον παρακινεί να καταπιαστεί με πολύπλοκες και απαιτητικές έννοιες. Στις πιο δύσκολες ενότητες του βιβλίου, ο συγγραφέας προειδοποιεί τον αναγνώστη και παρέχει σύντομες περιλήψεις για εκείνους που ενδεχομένως επιλέξουν να παραλείψουν ή να μην εστιάσουν σε αυτές τις πιο περίπλοκες συζητήσεις. Με αυτόν τον τρόπο, ο αναγνώστης μπορεί να προχωρήσει στο μονοπάτι της ανακάλυψης και να αποκτήσει όχι μόνο γνώση του σημερινού τρόπου σκέψης της φυσικής, αλλά και μια βαθύτερη κατανόηση για το πώς και γιατί αυτός ο τρόπος σκέψης έχει επικρατήσει.

    Σας καλούμε να ανακαλύψετε τις σελίδες αυτού του εκπληκτικού έργου και να εμπνευστείτε από τις αποκαλύψεις του Brian Greene για τα θεμέλια του Σύμπαντος.

    _____________________________________________________________________________________

    Ο Brian Greene διετέλεσε καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Cornell από το 1990 έως το 1995 και από το 1996 είναι Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Columbia. Επιπλέον, από το 2008 διευθύνει το World Science Festival.

    Ο Brian Greene είναι γνωστός στο κοινό μέσα από τα βιβλία του που έγιναν best-sellers στην λίστα των New York Times ενώ η εφημερίδα Washington Post τον χαρακτήρισε ως «τον κορυφαίο εξηγητή δυσνόητων εννοιών στον κόσμο σήμερα». Παρουσίασε δύο μίνι-σειρές βασισμένες στα βιβλία του, λαμβάνοντας το βραβείο George Foster Peabody για το «Το Kομψό Σύμπαν με τον Brian Greene». Το 2008, μαζί με την παραγωγό Tracy Day, ίδρυσε το World Science Festival.

  • ΤΑ ΑΝΟΙΧΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

    ΤΑ ΑΝΟΙΧΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

    Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε τα μεγάλα ανοικτά ερωτήματα στο μεταίχμιο μεταξύ σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας. Συζητάμε τον τρόπο με τον οποίο προέκυψαν, πώς προσπαθούμε να τα εξηγήσουμε και τι μας επιφυλάσσει το μέλλον.  Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος και ποια είναι η προέλευση και το μέλλον του Σύμπαντος; Τα ερωτήματα αυτά ανέκαθεν κατείχαν κεντρικό ρόλο στην κοσμοθεωρία όλων των πολιτισμών.

    Παρόλο που σε επίπεδο φιλοσοφίας η ενασχόληση με τα ερωτήματα αυτά άρχισε απ’ την περίοδο των προσωκρατικών φιλοσόφων, η φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, η επιστήμη που μελετά τη δομή της ύλης στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, πήρε μορφή μόλις πριν εκατό περίπου χρόνια με την ανακάλυψη των πρώτων στοιχειωδών σωματιδίων. Το ηλεκτρόνιο ήταν το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε (το 1897 απ’ τον J.J. Thomson), με την ανακάλυψη του πρωτονίου και του νετρονίου να ακολουθούν το 1919 (Rutherford) και το 1932 (Chadwick) αντίστοιχα. Από τότε και μέχρι σήμερα νέα θεμελιώδη σωματίδια ανακαλύπτονταν κατά μέσο όρο κάθε 5 χρόνια, όπως φαίνεται στον πίνακα στην Εικ. 1.Εικόνα 1: Χρονολογικός πίνακας με σημαντικές ανακαλύψεις νέων σωματιδίων ή θεωριών στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων.Αξίζει να τονίσουμε ότι:

    1. Μετά τα θεμελιώδη συστατικά των ατόμων της συνηθισμένης ύλης (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) και το μιόνιο (που αποτέλεσε την πρώτη ένδειξη για την ύπαρξη περισσοτέρων γενεών φερμιονίων, δηλ. σωματιδίων με ημιακέραιο σπιν που συγκροτούν την ύλη), τα επόμενα σωματίδια (με σχεδόν απόλυτη πλειοψηφία) είχαν προβλεφθεί από τη θεωρία αρκετά χρόνια πριν ανακαλυφθούν. Σε μια πρώτη ανάγνωση κάποιος μπορεί να θεωρήσει ότι το πείραμα απλά επιβεβαίωνε τη θεωρία, παρόλα αυτά στον παραπάνω πίνακα έχουν παραληφθεί όλες οι μη επιβεβαιωμένες θεωρίες που ήταν πολλαπλάσιες των επιβεβαιωμένων! Το πείραμα, λοιπόν, ήταν πάντα ο τελικός κριτής.
    2. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, όλες οι ανακαλύψεις νέων σωματιδίων χρειάστηκαν περισσότερο διάστημα απ΄ ότι προηγούμενα. Πέραν της όποιας εγγενούς δυσκολίας παρουσίαζε η ανίχνευση, αυτό οφείλεται και στο γεγονός ότι οι ανακαλύψεις αυτές έγιναν σε μεγάλες πειραματικές κοινοπραξίες, χρησιμοποιώντας μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων οι οποίοι χρειάστηκαν δεκαετίες για να σχεδιαστούν και να λειτουργήσουν.

    Στο επίπεδο της θεωρίας, τα θεμέλια της σωματιδιακής φυσικής τέθηκαν με την ανάπτυξη της σχετικότητας και της κβαντομηχανικής στις αρχές του 20ού αιώνα. Απ’ τη σύνθεσή τους προέκυψε η Κβαντική Θεωρία Πεδίου (Quantum Field Theory), η οποία αναπτύχθηκε το 1940-1950. Ιδιαίτεροι σταθμοί αποτέλεσαν η ενοποίηση των ασθενών με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις το 1959 κι η ανακάλυψη του μηχανισμού Higgs (Higgs mechanism), ο οποίος ήταν απαραίτητος για μια μαθηματικά συνεπή περιγραφή των αλληλεπιδράσεων. Το 1967 ο Weinberg συνέθεσε το μοντέλο ηλεκτρασθενούς ενοποίησης με το μηχανισμό Higgs παρουσιάζοντας για πρώτη φορά αυτό που σήμερα ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή τη θεωρία που περιγράφει σχεδόν1 όλα τα μικροσκοπικά φαινόμενα που έχουν σχέση με ηλεκτρομαγνητικές, ασθενείς και ισχυρές αλληλεπιδράσεις.Εικόνα 2: Τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. [Πηγή: wikipedia]Μετά τις αρχές τις δεκαετίας του 1970, οι πιο σημαντικές καινοτομίες στο επίπεδο της θεωρίας αφορούν στην πρόταση της ύπαρξης της υπερσυμμετρίας (supersymmetry), στη θεωρία χορδών (string theory) και πληθώρα μοντέλων πέραν του καθιερωμένου προτύπου με εκτεταμένες συμμετρίες που αντιστοιχούν σε νέες αλληλεπιδράσεις, περισσότερες γενεές φερμιονίων κλπ, καμία απ’ τις οποίες δεν έχει ακόμα επαληθευτεί πειραματικά. Παράλληλα, στο πειραματικό κομμάτι απ’ τη δεκαετία του 1980 και μετά πραγματοποιούνται συνεχείς μετρήσεις ακριβείας σε μεγάλα πειράματα επιταχυντών, οι οποίες στη συντριπτική πλειοψηφία τους συμφωνούν με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου με εκπληκτική ακρίβεια, όπως φαίνεται στην Εικ. 3.Εικόνα 3: Μετρήσεις των ενεργών διατομών2 διαφόρων διαδικασιών (πιθανότητας για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης τελικής κατάστασης στη σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου) σε διάφορες ενέργειες του LHC. Τα σημεία αναπαριστούν τις πειραματικές μετρήσεις ενώ τα χρωματιστά κουτιά τις θεωρητικές προβλέψεις. [Πηγή: ATL-PHYS-PUB-2024-011]Παρόλη την παντοκρατορία του Καθιερωμένου Προτύπου υπάρχουν αρκετές παρατηρήσεις  οι οποίες δε μπορούν να εξηγηθούν από αυτό (Navas et al, 2024). Ποια λοιπόν είναι τα μεγάλα ανοιχτά ερωτήματα και πώς μπορούμε να προχωρήσουμε προς μια πιθανή εξήγησή τους;

    ΠΩΣ ΑΠΟΚΤΟΥΝ ΜΑΖΑ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΑ;

    Τα νετρίνα είναι σωματίδια τα οποία λαμβάνουν μέρος μόνο σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις (επομένως αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με τη συνήθη ύλη). Ο Wolfgang Pauli πρότεινε για πρώτη φορά την ύπαρξή τους το 1930, για να εξηγήσει τη φαινόμενη παραβίαση διατήρησης της ενέργειας στη διάσπαση-β (beta decay). Η διάσπαση-β είναι μια διαδικασία που γίνεται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης, κατά την οποία ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο. Για τη διατήρηση του φορτίου επιβάλλεται μαζί με το πρωτόνιο να παράγεται ένα αρνητικά φορτισμένο σωμάτιο, ένα ηλεκτρόνιο σε μια αντίδραση της μορφής

        \[ (A,Z)\rightarrow(A,Z+1)+e^-, \]

    όπου (Α, Ζ) ένας πυρήνας με Α πρωτόνια και νετρόνια και Ζ πρωτόνια. Λόγω διατήρησης της ορμής και της ενέργειας, η ενέργεια του ηλεκτρονίου στην παραπάνω αντίδραση θα έπρεπε να παίρνει μία συγκεκριμένη τιμή (περίπου ίση με τη διαφορά μαζών). Παρόλα αυτά, μετρήσεις του ενεργειακού φάσματος του ηλεκτρονίου (από τη Lise Meitner και τον Otto Hahn) έδειξαν ότι η ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου αντιστοιχεί σε ένα συνεχές φάσμα. Για να εξηγήσει το φαινόμενο αυτό, ο Pauli πρότεινε ότι στην αντίδραση αυτή παράγεται μαζί με το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο ένα νέο αφόρτιστο σωματίδιο, το οποίο πήρε το όνομα νετρίνο.

    Όπως και τα φορτισμένα λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, λεπτόνιο ταυ), έτσι και τα νετρίνα έχουν τρεις λεπτονικές γεύσεις, διαχωριζόμενα σε νετρίνα ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ. Αρχικά τα νετρίνα θεωρούνταν ως μη έχοντα μάζα, όπως τα φωτόνια. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 όμως τα πειράματα στο Sudbury Neutrino Observatory στον Καναδά και στο Super-Kamiokande στην Ιαπωνία παρατήρησαν ότι νετρίνα μιας γεύσης καθώς διαδίδονταν στο χώρο άλλαζαν γεύση με μία συγκεκριμένη περιοδικότητα. Αυτή η «ταλάντωση» των νετρίνων απέδειξε ότι τα νετρίνα πρέπει να «αισθάνονται» το πέρασμα του χρόνου και συνεπώς θα πρέπει να έχουν μη μηδενική μάζα (σύμφωνα με την ειδική σχετικότητα ένα σωματίδιο χωρίς μάζα κινείται συνεχώς με την ταχύτητα του φωτός και συνεπώς δεν μπορεί να αντιληφθεί το πέρασμα του χρόνου)3.

    Το ερώτημα που γεννάται τώρα είναι τι προσδίδει στα νετρίνα τη μάζα τους; Είναι εύλογο να θεωρήσει κανείς ότι τα νετρίνα αποκτούν τη μάζα τους αλληλεπιδρώντας με το μποζόνιο Higgs, όπως τα υπόλοιπα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. Ξέρουμε όμως ότι κατά την αλληλεπίδρασή τους με το μποζόνιο Higgs, η ιδιοστροφορμή των σωματιδίων αλλάζει φορά σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησής τους. Αυτό αποτελεί πρόβλημα, καθώς για όλα τα νετρίνα (αντι-νετρίνα) που έχουν παρατηρηθεί η κατεύθυνση της ιδιοστροφορμής τους είναι πάντα αντίθετη (ίδια) με τη φορά της κίνησης (δηλαδή τα νετρίνα είναι πάντα “αριστερόστροφα” ενώ τα αντι-νετρίνα πάντα “δεξιόστροφα”). Επομένως τα νετρίνα δεν μπορούν να αποκτούν μάζα όπως τα υπόλοιπα σωματίδια στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

    Μια άλλη δυνατότητα που υπάρχει είναι εφόσον τα νετρίνα είναι αριστερόστροφα και τα αντι-νετρίνα δεξιόστροφα, αν το νετρίνο είναι αντισωματίδιο του εαυτού του (είναι όπως λέμε σωματίδιο τύπου Majorana) θα μπορούσε να αποκτά μάζα μέσω του μηχανισμού Higgs. Σε αυτή την περίπτωση, περιμένουμε να δούμε αντιδράσεις όπως η διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων 2n → 2p + 2e–, όπως φαίνεται στην Εικ. 4, η οποία παραβιάζει όμως τη διατήρηση του λεπτονικού αριθμού. Παρότι διάφορα πειράματα ψάχνουν γι’ αυτού του είδους τη διάσπαση, δεν έχει βρεθεί μέχρι σήμερα καμία ένδειξη για την ύπαρξή της.Εικόνα 4: Διάγραμμα που αναπαριστά τη διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων. Στην τελική κατάσταση έχουμε δύο λεπτόνια (ηλεκτρόνια) ενώ στην αρχική κατάσταση δεν έχουμε λεπτόνια, με συνέπεια να παραβιάζεται ο λεπτονικός αριθμός. [Πηγή: wikipedia]Επομένως υπάρχουν τρεις δυνατότητες για να εξηγήσουμε το πώς τα νετρίνα αποκτούν μάζα (De Gouvea, 2016), (1) η ύπαρξη δεξιόστροφων νετρίνων, τα οποία δε λαμβάνουν μέρος σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις, (2) η υπόθεση ότι τα νετρίνα είναι αντισωματίδια του εαυτού τους, η οποία οδηγεί στην παραβίαση του λεπτονικού αριθμού ή (3) η ύπαρξη ενός νέου μηχανισμού παραγωγής μάζας.

    Διάφορα πειράματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν την ύπαρξη δεξιόστροφων νετρίνων ή τη διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων βρίσκονται σε εξέλιξη, αλλά μέχρι στιγμής δεν υπάρχει καμία σαφής ένδειξη για την ύπαρξή τους. Σε κάθε περίπτωση η επίλυση του ερωτήματος για τον τρόπο που τα νετρίνα αποκτούν μάζα απαιτεί την εισαγωγή νέας φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

    ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΠΑΡΑΤΗΡΟΥΜΕ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΑΝΤΙΥΛΗΣ ΣΤΟ ΟΡΑΤΟ ΣΥΜΠΑΝ;

    Αν παρατηρήσουμε το ορατό Σύμπαν βλέπουμε γαλαξίες και νέφη από υδρογόνο και ήλιο, δηλαδή αντικείμενα που αποτελούνται απ’ τα σωματίδια ύλης, πρωτόνια νετρόνια και ηλεκτρόνια. Πουθενά δεν έχει παρατηρηθεί μεγάλη συγκέντρωση αντιύλης, δηλαδή αντικειμένων που να αποτελούνται από αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και ποζιτρόνια. Αυτή η παρατήρηση είναι γνωστή με το όνομα ασυμμετρία ύλης-αντιύλης (ή βαρυονική ασυμμετρία).

    Πώς μπορεί να προέκυψε αυτή η ασυμμετρία; Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της κοσμολογίας, τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), το Σύμπαν περιήλθε σε μια περίοδο εκθετικής διαστολής, που ονομάζεται εποχή του πληθωρισμού (inflationary epoch), κατά την οποία ο όγκος του αυξήθηκε τουλάχιστον κατά ένα παράγοντα της τάξης του 1078. Η τεράστια αύξηση του όγκου του Σύμπαντος είχε ως αποτέλεσμα την εξάλειψη οποιασδήποτε ασυμμετρίας μεταξύ ύλης κι αντιύλης, η οποία ενδεχομένως να υπήρχε μέχρι τότε. Επομένως η ασυμμετρία που παρατηρούμε σήμερα θα πρέπει να δημιουργήθηκε είτε στο τέλος του πληθωρισμού είτε μετά το τέλος του. Η πρώτη υπόθεση (πληθωριστική βαρυογένεση) είναι δύσκολο να ελεγχθεί πειραματικά, καθώς οι ενέργειες που επικρατούσαν κατά τον πληθωρισμό είναι 1013 φορές μεγαλύτερες απ’ την ενέργεια των σημερινών επιταχυντών αλλά κι επειδή ο ίδιος ο πληθωρισμός δεν έχει ακόμα εξακριβωθεί πειραματικά. Απομένει επομένως το ενδεχόμενο να δημιουργήθηκε η ασυμμετρία μετά το τέλος του πληθωρισμού από αλληλεπιδράσεις που παράγουν περισσότερη ύλη απ’ ότι αντιύλη.

    Οι απαραίτητες συνθήκες για να παράγει μια αλληλεπίδραση περισσότερη ύλη από αντιύλη είναι οι αποκαλούμενες τρείς συνθήκες Sakharov: (1) να παραβιάζει το βαρυονικό αριθμό, (2) να παραβιάζει τη συμμετρία μεταξύ σωματιδίων κι αντισωματιδίων (συμμετρίες C και CP) και (3) να συμβαίνει εκτός θερμικής ισορροπίας. Στο Καθιερωμένο Πρότυπο οι μόνες αλληλεπιδράσεις που ικανοποιούν τις συνθήκες αυτές είναι οι ασθενείς, παρόλα αυτά έχει αποδειχθεί ότι η ασυμμετρία μεταξύ σωματιδίων κι αντισωματιδίων στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις είναι πολύ μικρότερη απ’ ότι χρειάζεται για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν4. Τα παραπάνω καταδεικνύουν ότι η εξήγηση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης απαιτεί νέα φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

    Δεκάδες θεωρίες έχουν προταθεί για να εξηγήσουν την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης (Riotto, 1998; Barbieri et al, 2000). Οι περισσότερες απ’ αυτές προβλέπουν την ύπαρξη νέων αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν σε πολύ υψηλές ενέργειες και συνεπώς είναι αδύνατον να ελεγχθούν πειραματικά με τις σημερινές τεχνικές. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν θεωρίες που είναι ελέγξιμες στους σημερινούς επιταχυντές. Για παράδειγμα η θεωρία της ηλεκτρασθενούς βαρυογένεσης προβλέπει ότι η συνθήκη μη ισορροπίας που χρειάζεται για τη βαρυογένεση δημιουργείται μέσω του μηχανισμού Higgs. Αυτές οι θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη περισσοτέρων μποζονίων Higgs εντός της εμβέλειας του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (Large Hadron Collider, LHC). Παρά τις έρευνες κανένα απ’ αυτά τα μποζόνια δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί.

    Τέλος εφόσον χρειάζονται τρεις συνθήκες για την πραγματοποίηση της βαρυογένεσης, η εξήγηση του φαινομένου μπορεί να αποδειχθεί πολύ πιο σύνθετη απ’ ότι φανταζόμαστε, απαιτώντας τρία διαφορετικά μοντέλα νέας φυσικής για την πραγματοποίηση κάθε μιας από τις τρεις συνθήκες του Sakharov.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Στις αρχές της δεκαετίας του 1930, ο Σουηδός αστρονόμος Knut Lundmark κι ο Ελβετός φυσικός Fritz Zwicky υπολόγισαν από μετρήσεις της φωτεινότητας και της περιστροφικής ταχύτητας γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών το λόγο της φωτοβολούσας μάζας προς την ολική (βαρυτική) μάζα τους και απεφάνθησαν ότι η ολική μάζα είναι δεκάδες φορές μεγαλύτερη απ’ τη φαινόμενη. Το έλλειμα μάζας το απέδωσαν σε ένα νέο τύπο ύλης που ονόμασαν σκοτεινή ύλη (dark matter),  εικάζοντας ότι επρόκειτο για σκοτεινά νέφη, μετεωρίτες, σβησμένα άστρα κλπ.

    Οι φαινομενικά παράδοξες αυτές παρατηρήσεις ξεχάστηκαν απ’ την επιστημονική κοινότητα για πάνω από σαράντα χρόνια, μέχρι που νέες μετρήσεις των ταχυτήτων περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας απ’ τη Vera Rubin και τον Kent Ford επιβεβαίωσαν ότι οι εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών περιστρέφονται πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι προβλέπει η Νευτώνεια φυσική, δεδομένης της φωτοβολούσας μάζας τους. Αργότερα, μετρήσεις ακριβείας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (δηλ. του διάχυτου φωτός που παρατηρούμε απ’ την εποχή που τα ηλεκτρόνια δεσμεύτηκαν σε άτομα και το Σύμπαν έγινε ηλεκτρικά ουδέτερο), μετρήσεις του βαρυτικού πεδίου συγκρουόμενων γαλαξιακών σμηνών και πολλές άλλες αστρονομικές παρατηρήσεις απέδειξαν αδιάσειστα ότι η συνήθης βαρυονική ύλη που παρατηρούμε και απ’ την οποία είναι φτιαγμένα τα άστρα και οι γαλαξίες δεν αποτελεί παρά το 1/5 της συνολικής ύλης του Σύμπαντος (βλ. Εικ. 5).Εικόνα 5: (Αριστερά) Σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων περιστροφικών ταχυτήτων ενός γαλαξία (σημεία) με την ταχύτητα που προβλέπεται απ’ τη θεωρία βάσει της φαινόμενης μάζας (διακεκομμένη γραμμή) [Πηγή: wikipedia]. (Δεξιά) Σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (κόκκινα σημεία) με τις προβλεπόμενες τιμές (γραμμές) για διάφορες τιμές της σχετικής πυκνότητας βαρυονικής ύλης. [Πηγή: https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March10/Garrett/Garrett3.html]Το ερώτημα που γεννάται είναι από τι αποτελούνται τα υπόλοιπα 4/5, δηλαδή ποια είναι η μικροσκοπική σύσταση της σκοτεινής ύλης; Το ερώτημα αυτό παραμένει μέχρι σήμερα αναπάντητο, παρόλα αυτά από διάφορες παρατηρήσεις μπορούμε να εξάγουμε κάποιες απ’ τις ιδιότητές της. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να

    • είναι σταθερή, με χρόνο ημιζωής πάνω από 10 φορές μεγαλύτερο απ’ την ηλικία του Σύμπαντος
    • είναι ηλεκτρικά ουδέτερη (το μέγιστο ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να έχει είναι δέκα χιλιάδες φορές μικρότερο απ’ το φορτίο του ηλεκτρονίου)
    • κινείται αργά (έχει αποδειχτεί ότι αν η σκοτεινή ύλη κινείται γρήγορα, εμποδίζει τη δημιουργία γαλαξιών)
    • είναι μη βαρυονική, δηλαδή δεν αποτελείται απ’ τα συνήθη σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου
    • μην αποτελείται πλήρως από μαζικά αστρονομικά αντικείμενα (MACHO) όπως αστροφυσικές μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων, καφέ νάνοι, πλανήτες κλπ)

    Καθώς οι πρώτες μετρήσεις απ’ τις οποίες εξήχθει η υπόθεση της σκοτεινής ύλης βασίζονταν στην εφαρμογή της βαρυτικής θεωρίας του Einstein (που ανάγεται στη συνήθη Νευτώνεια βαρύτητα για το συγκεκριμένο πρόβλημα) κάποιοι υποστήριξαν ότι οι αποκλίσεις που παρατηρήθηκαν σε μεγάλες αποστάσεις απ’ το κέντρο των γαλαξιών υποδεικνύουν την ανεπάρκεια της Νευτώνειας βαρύτητας, προτείνοντας μια τροποποιημένη θεωρία βαρύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες αυτές δεν μπορούσαν να περιγράψουν ικανοποιητικά όλες τις παρατηρήσεις και συνεπώς η ιδέα της περιγραφής των αστρονομικών παρατηρήσεων που διαθέτουμε αποκλειστικά και μόνο βάσει μιας τροποποιημένης βαρύτητας χωρίς την εισαγωγή της σκοτεινής ύλης (MoND) έχει πρακτικά εγκαταληφθεί.

    Οι θεωρίες που απομένουν ως πιθανή εξήγηση της σκοτεινής ύλης αρκούν για να γεμίσουν αρκετούς τόμους βιβλίων. Το εύρος των πιθανών μαζών σωματιδίων σκοτεινής ύλης καλύπτει πάνω από 80 τάξεις μεγέθους, από 10-58 μέχρι 1030 kg, επομένως απαιτούνται πολλές παρατηρήσεις με διαφορετικές τεχνικές σε πληθώρα πειραμάτων για την κατανόηση της φύσης της.

    Στην περιοχή μεγάλων μαζών όπου περιμένουμε η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες που δημιουργήθηκαν πολύ πριν τα πρώτα άστρα (Arbey, 2024; Escriva et al., 2024), οι κύριες μέθοδοι ανίχνευσης βασίζονται κυρίως σε αστρονομικές μετρήσεις όπως βαρυτικά κύματα, βαρυτικούς φακούς και στη μελέτη του αντίκτυπου της ακτινοβολίας Hawking στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Στις υπόλοιπες περιοχές υπάρχουν τρία είδη πειραμάτων: (1) άμεσης ανίχνευσης (Billard et al, 2022), (2) έμμεσης ανίχνευσης (Gaskins, 2016) και (3) παραγωγής σκοτεινής ύλης σε επιταχυντές (Boveia and Doglioni, 2018; Argyropoulos et al., 2011). Στα πειράματα άμεσης ανίχνευσης, τεράστια δοχεία γεμισμένα με ευγενή υγρά (πχ. υγρό ξένο) τοποθετούνται σε ορυχεία, για να προστατευθούν απ’ την επήρεια της κοσμικής ακτινοβολίας, και στοχεύουν στην ανίχνευση της ανάκρουσης ενός ατόμου του ευγενούς υγρού το οποίο θα συγκρουστεί με ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης στο γαλαξία. Στα πειράματα έμμεσης ανίχνευσης, επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων-γ, νετρίνων και κοσμικών ακτίνων προσπαθούν να ανιχνεύσουν τα προϊόντα απ’ την εξαΰλωση ενός ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου σκοτεινής ύλης. Τέλος στους επιταχυντές προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε σήματα ελλείματος ενέργειας που αναμένονται να δημιουργηθούν απ’ τα σωματίδια σκοτεινής ύλης αν αυτά παραχθούν στις συγκρούσεις πρωτονίων.

    Παρά τις πολύχρονες έρευνες δεν υπάρχει ακόμα καμία ένδειξη για την ανίχνευση ενός σωματιδίου που να έχει τις κατάλληλες ιδιότητες για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη, πολλές απ’ τις προταθείσες θεωρίες έχουν ωστόσο αποκλειστεί. Το σίγουρο είναι ότι η διαλεύκανση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης θα αποτελέσει μια απ’ τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις της φυσικής.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 

    Στα τέλη της δεκαετίας του 1920 με μια σειρά από αστρονομικές μετρήσεις και θεωρητικές ερμηνείες οι Knut Lundmark, Georges Lemaitre και Edwin Hubble απέδειξαν ότι το ορατό μέρος του Σύμπαντος διαστέλεται. Θα περίμενε κανείς λόγω της βαρυτικής έλξης των γαλαξιών η διαστολή αυτή να επιβραδύνεται. Παρόλα αυτά, προς έκπληξη όλων, το 1998 δύο ερευνητικές ομάδες, το Supernova Cosmology Project με επικεφαλής τον Saul Perlmutter, και το High-Z Supernova Search Team, με επικεφαλής τους Brian Schmidt και Adam Riess, ανακάλυψαν ότι η διαστολή επιταχύνεται. Εφόσον σε κοσμικές αποστάσεις η μόνη δύναμη που έχει σημασία είναι η βαρυτική, τι μπορεί να είναι αυτό που σα μια δύναμη αντιβαρύτητας οδηγεί στην επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος; Ο λόγος δεν έχει ακόμα αποσαφηνιστεί αλλά του έχει αποδοθεί ο όρος σκοτεινή ενέργεια (dark energy).

    Ο αριθμός των θεωριών που προσπαθούν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ενέργεια είναι τεράστιος (Brax, 2018). Για να εξηγήσει κάποιος τη σκοτεινή ενέργεια μπορεί να εισάγει νέα πεδία (βαθμωτά όπως το πεδίο Higgs, διανυσματικά όπως το φωτόνιο ή τανυστικά όπως το βαρυτικό πεδίο) ή νέες χωρικές διαστάσεις, να τροποποιήσει τη μορφή των εξισώσεων πεδίου Einstein κλπ. Καθώς οι τροποποιήσεις αυτές έχουν επιπτώσεις κυρίως στη βαρύτητα και συνεπώς στην κοσμολογία (εξέλιξη του Σύμπαντος), κυριαρχεί η αντίληψη ότι το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας δεν έχει σχέση με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Παρόλα αυτά δε μπορεί κανείς να παραβλέψει ότι κβαντικές διακυμάνσεις των πεδίων που δημιουργούν τα στοιχειώδη σωματίδια συμβάλουν στη δημιουργία μιας ενεργούς κοσμολογικής σταθεράς, η οποία μπορεί να παίξει το ρόλο της σκοτεινής ενέργειας (μάλιστα είναι η επικρατέστερη θεωρία για την εξήγηση της σκοτεινής ενέργειας). Και το πρόβλημα εδώ έγκειται στο γεγονός ότι ο υπολογισμός της κοσμολογικής σταθεράς βάσει κβαντικής θεωρίας πεδίου δίνει ένα νούμερο 50 με 120 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο απ’ το παρατηρούμενο! Αυτό είναι γνωστό ως πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς (Weinberg, 1989), το οποίο θα πρέπει να επιλυθεί.

    Πέραν αυτού, είναι γνωστό ότι διάφορες θεωρίες που προβλέπουν νέα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το βαρυτικό πεδίο, νέες διαστάσεις ή τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας θα μπορούσαν να ανιχνευτούν στους επιταχυντές (Brax et al, 2009; Brax et al, 2016) είτε άμεσα (ως νέα σωματίδια) είτε έμμεσα μέσω της επίπτωσής τους στις μετρούμενες ιδιότητες των σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου (Burrage et al 2018; Argyropoulos et al., 2024). Επομένως, η σωματιδιακή φυσική μπορεί να παρέχει επιπλέον πληροφορία στην εξιχνίαση αυτού του εξαιρετικά δύσκολου προβλήματος.

    ΑΛΛΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ

    Πέραν των παραπάνω ερωτημάτων που προέκυψαν από πειραματικές παρατηρήσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν βάσει των θεωριών που διαθέτουμε, υπάρχει μια σειρά από άλλα προβλήματα που αναδύονται στο κομμάτι της θεωρητικής ερμηνείας του Καθιερωμένου Προτύπου.

    Το πιο γνωστό είναι το λεγόμενο πρόβλημα της ιεραρχίας (hierarchy problem), σύμφωνα με το οποίο κβαντικές διορθώσεις που επηρεάζουν τη μάζα των σωματιδίων οδηγούν τη μάζα του Higgs σε μια τιμή πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερη απ’ ότι η μετρούμενη. Η πιο διάσημη προτεινόμενη λύση του προβλήματος εισάγει την υπόθεση της υπερσυμμετρίας, μιας συμμετρίας που σε κάθε γνωστό φερμιόνιο/μποζόνιο αντιστοιχεί ένα νέο μποζόνιο/φερμιόνιο, διπλασιάζοντας έτσι τον αριθμό των σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου. Παρά τις έρευνες για υπερσυμμετρία σε επιταχυντές, καμία ένδειξη δεν έχει προκύψει μέχρι σήμερα.

    ΑΝΤΙ ΕΠΙΛΟΓΟΥ: ΠΩΣ ΜΠΟΡΟΥΜΕ ΝΑ ΑΝΑΚΑΛΥΨΟΥΜΕ ΝΕΑ ΦΥΣΙΚΗ;

    Η ιστορία μας δείχνει ότι μεγάλες ανακαλύψεις στη σωματιδιακή φυσική προέκυψαν είτε δοκιμάζοντας τα όρια εφαρμογής των ισχυουσών θεωριών (π.χ. ανακάλυψη παραβίασης ομοτιμίας στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις), είτε από την προσπάθεια πειραματικής επιβεβαίωσης των προβλέψεων νέων θεωριών (π.χ. ποζιτρόνιο, μποζόνιο Higgs) είτε από μετρήσεις ακριβείας που αποκάλυψαν την ανάγκη επέκτασης της θεωρίας (π.χ. διάσπαση καονίων που οδήγησε στην πρόβλεψη του χαριτωμένου κουαρκ).

    Είδαμε ότι πολλές φορές στην ιστορία της φυσικής χρειάστηκαν δεκαετίες για να παρουσιαστεί μια αναπάντεχη παρατήρηση ή να επιβεβαιωθεί μια θεωρία. Μάλιστα τις τελευταίες δεκαετίες, οι μεγάλες ανακαλύψεις όχι μόνο στη σωματιδιακή φυσική αλλά και σε άλλους κλάδους όπως η αστρονομία/κοσμολογία, τείνουν να γίνονται όχι από μεμονωμένους ερευνητές αλλά από μεγάλες πειραματικές κοινοπραξίες, οι οποίες χρειάζονται τους κατάλληλους υλικούς και ανθρώπινους πόρους για να λειτουργήσουν.  Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σωματίδια που δεν έχουν ακόμα ανακαλυφθεί είναι είτε πολύ βαριά είτε αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς επομένως για την παρατήρησή τους χρειάζονται πολύ μεγάλες ενέργειες ή δέσμες μεγάλης έντασης που απαιτούν την κατασκευή πολύπλοκων πειραματικών εγκαταστάσεων.

    Πολλά νέα πειράματα νετρίνων, μελλοντικοί επιταχυντές και διαστημικές αποστολές που μπορεί να λύσουν κάποια απ’ τα παραπάνω μυστήρια βρίσκονται ήδη υπό σχεδίαση. Μέσα από αυτή την αέναη ερευνητική δραστηριότητα παράγεται όχι μόνο νέα γνώση που προάγει την επιστήμη και ικανοποιεί τις πηγαίες φιλοσοφικές αναζητήσεις τις ανθρωπότητας, αλλά και πλείστες εφαρμογές που βελτιώνουν την καθημερινή μας ζωή (παγκόσμιος ιστός, τομογραφία ποζιτρονίων, οθόνες αφής κ.ά.).

    Δε μπορούμε να πούμε πώς και πότε θα εμφανιστεί η επόμενη ανακάλυψη. Ακολουθώντας τον Hubble απλά «εξοπλιζόμαστε με τις πέντε αισθήσεις μας και παρατηρούμε τον κόσμο γύρω μας, ονομάζοντας αυτή την περιπέτεια Επιστήμη».

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Το “σχεδόν” εδώ αναφέρεται σε φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν σε ενέργειες στις οποίες δεν έχουν ανακαλυφθεί ακριβείς μαθηματικές τεχνικές για τον υπολογισμό παρατηρήσιμων μεγεθών. Για παράδειγμα η σταθερά σύζευξης της ισχυρής αλληλεπίδρασης σε μικρές ενέργειες γίνεται τόσο μεγάλη που καθιστά αδύνατους τους θεωρητικούς υπολογισμούς στην κβαντική θεωρία πεδίου.

    [2] Η ενεργός διατομή είναι ανάλογη της πιθανότητας παραγωγής μιας συγκεκριμένης τελικής κατάστασης κατά τη σύγκρουση δύο σωματιδίων (στην προκειμένη περίπτωση πρωτονίων).

    [3] Η ανακάλυψη αυτή τιμήθηκε με βραβείο Νομπέλ (2015), το πρώτο μάλιστα που απονεμήθηκε σε εκπροσώπους πειραματικών κοινοπραξιών.

    [4] Αυτό αναφέρεται στον τομέα των κουαρκς, για τον οποίον υπάρχουν ακριβείς μετρήσεις της παραβίασης της συμμετρίας CP. Ένα ενδεχόμενο που αποτελεί αντικείμενο εντατικής έρευνας είναι να παραβιάζεται αρκετά η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στις αλληλεπιδράσεις νετρίνων ώστε να δημιουργεί στο πρώιμο Σύμπαν περίσσεια λεπτονίων (λεπτογέννεση).

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε τον Καθηγητή Σπύρο Τζαμαρία (ΑΠΘ) και τον Δρ. Νίκο Ρομποτή (Πανεπιστήμιο Liverpool) που με τις υποδείξεις τους βοήθησαν στη βελτίωση του άρθρου. Τυχόν λάθη βαραίνουν τον συγγραφέα.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    ΕΛΛΗΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Bartusiak, M., 2022. Η μέρα που ανακαλύψαμε το Σύμπαν. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Gagnon, P., 2022. Ποιος κυνηγάει το Higgs. Μια οδύσσεια του μικρόκοσμου. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Weinberg, S., 2017. Τα τρία πρώτα λεπτά. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Weinberg, S., 2019. Σκέψεις με θέα τη λίμνη, Ο κόσμος μας και το Σύμπαν. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Arbey, A., 2024. Primordial black holes: a small review. https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.08624

    Argyropoulos, S., Brandt, O., Haisch, U., Collider Searches for Dark Matter through the Higgs Lens, 2011. Symmetry 13(12), 2406. https://doi.org/10.3390/sym13122406

    Argyropoulos, S., Burrage, C., Englert, C., 2024. Density dependent displaced vertex signatures as a novel probe of light dark sector scalars at the LHC. JCAP 2024(06), 046. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2024/06/046

    Barbieri, R., et al, 2000. Baryogenesis through Leptogenesis, Nucl.Phys.B 575, 61-77. https://doi.org/10.1016/S0550-3213(00)00011-0

    Billard, J. et al, 2022. Direct detection of dark matter—APPEC committee report, Rept.Prog.Phys. 85(5), 056201. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ac5754

    Boveia, A., Doglioni, C., 2018. Dark Matter searches at Colliders, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 68, 429-459. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-101917-021008

    Brax, P., et al, 2009. Collider constraints on interactions of dark energy with the Standard Model. JHEP 09 (2009) 128. https://doi.org/10.1088/1126-6708/2009/09/128

    Brax, P., et al, 2016. LHC Signatures Of Scalar Dark Energy, Phys.Rev.D 94(8), 084054, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.084054

    Brax, P., 2018. What makes the Universe accelerate? A review on what dark energy could be and how to test it. Rep. Prog. Phys. 81 016902. https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa8e64

    Burrage, C., et al, 2018. Fifth forces, Higgs portals and broken scale invariance. JCAP, 2018(11), 036. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2018/11/036

    De Gouvea, A., 2016. Neutrino mass models, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 66, 197-217. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-102115-044600

    Escriva, A., Kuhnel, F., Tada, Y., 2024. Primordial Black Holes in Black Holes in the Era of Graviataitonal-Wave Astronomy, 261-377.  https://doi.org/10.1016/B978-0-32-395636-9.00012-8

    Gaskins, J., M., 2016. A review of indirect searches for particle dark matter. Contemp.Phys. 57(4), 496-525. https://doi.org/10.1080/00107514.2016.1175160

    Panek, R., 2011. The 4% Universe, Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Boston: Mariner Books.

    Riotto, A., 1998. Theories of baryogenesis, CERN-TH-98-204. https://doi.org/10.48550/arXiv.hep-ph/9807454

    Weinberg, S., 1989. The Cosmological Constant Problem. Rev.Mod.Phys. 61, 1-23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1
     Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος

    Ο Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ, διδάκτωρ πειραματικής φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων του Πανεπιστημίου Humboldt του Βερολίνου. Έχει διατελέσει μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο Iowa των ΗΠΑ και κύριος ερευνητής ανεξάρτητης ερευνητικής ομάδας Emmy Noether στο Πανεπιστήμιο Freiburg της Γερμανίας. Εργάζεται απ’ το 2010 στο πείραμα ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) με καίριες συνεισφορές στην αναζήτηση νέας φυσικής, και συγκεκριμένα προτύπων που σχετίζονται με την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας. Έχει διατελέσει συντονιστής της ομάδας εργασίας του LHC για την αναζήτηση σκοτεινής ύλης καθώς και διαφόρων άλλων ομάδων εργασίας στο πείραμα ATLAS.

  • ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑΣ

    ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑΣ

    Η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Credit: ESA and the Planck CollaborationΝίκος Αλεξίου

    Εκπαιδευτικός, Φυσικός, Υποψήφιος Διδάκτωρας ΕΚΠΑ

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε μια σύντομη ιστορία της Κοσμολογίας, όπως αυτή διαμορφώθηκε τα τελευταία εκατό χρόνια και οδήγησε στην ανάδειξη της ως αιχμή του δόρατος στην ανάπτυξη της σύγχρονης έρευνας στη Φυσική. Από τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, μέχρι την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος και από τα πρώτα μεγάλα τηλεσκόπια μέχρι τα σχέδια για διαστημικά συμβολόμετρα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, το ταξίδι ήταν μεγάλο και όμορφο αλλά συνεχίζεται ακόμα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

    Κοιτάζοντας κανείς τον ανέφελο νυχτερινό ουρανό από κάποια ερημική παραλία ή κάποιο βουνό, κατά προτίμηση μια νύχτα χωρίς φεγγάρι, δεν μπορεί να μην γοητευτεί από το θέαμα των αστρικών σχηματισμών και της γαλαξιακής ζώνης. Χιλιάδες χρόνια τώρα οι άνθρωποι σε όλο τον κόσμο παρατηρούν αυτόν τον ίδιο ουρανό και πλάθουν ιστορίες και μύθους για τον σχηματισμό του Κόσμου. Και όμως! Τα μερικές χιλιάδες αστέρια που βλέπουμε με γυμνό μάτι αποτελούν μόνο ένα ασήμαντο μέρος του Σύμπαντος, όλα τους μέρη του δικού μας Γαλαξία που απαριθμεί περισσότερα από 200 δισεκατομμύρια αστέρια και είναι απλά, ένας από τους τρισεκατομμύρια γαλαξίες του Σύμπαντος.

    Η Κοσμολογία, o λόγος περί του Κόσμου, αποτελεί ένα διαρκώς διευρυνόμενο πεδίο έρευνας στη φυσική και αποτελεί κοινή παραδοχή πως κυοφορεί τις μελλοντικές επιστημονικές εξελίξεις στον τομέα. Παρόλα αυτά, μόλις έναν αιώνα πριν, η Κοσμολογία θεωρούνταν αντικείμενο που προσέγγιζε περισσότερο τη Φιλοσοφία ή και την Θεολογία. Για να φτάσουμε στο σημείο να έχουμε θεωρίες εξήγησης της δομής και της ιστορίας του Σύμπαντος ως ολότητας, έπρεπε να προηγηθεί η ανάπτυξη τηλεσκοπίων ολοένα αυξανόμενων δυνατοτήτων. Ορόσημο στην ιστορία της Κοσμολογίας αποτελεί η ανακάλυψη από τον Αμερικανό αστρονόμο Edwin Hubble, αρχικά της ύπαρξης άλλων γαλαξιών και στη συνέχεια της σχετικής απομάκρυνσης των γαλαξιών, της διαστολής δηλαδή του Σύμπαντος. Από τότε, ένα συναρπαστικό ταξίδι καινούργιων ανακαλύψεων αλλά και διατύπωσης θεωριών, για τις ιδιότητες και την εξέλιξη του Σύμπαντος, ξεκίνησε.

    ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΒΗΜΑΤΑ

    Ένα σημαντικό εργαλείο για τους ιστορικούς, αλλά και τους ιστορικούς της επιστήμης ειδικότερα, είναι η περιοδολόγηση της ιστορίας με βάση σημαντικά γεγονότα, που συνήθως αποτελούν σημεία τομής με την προηγούμενη κατάσταση. Η διάκριση περιόδων πάντα εμπεριέχει απλουστεύσεις και προσεγγίσεις αλλά ταυτόχρονα βοηθά στο να μελετηθεί πιο εύκολα και πιο αποτελεσματικά η ιστορία.

    Αν θέλαμε λοιπόν να ορίσουμε ένα σημείο ορόσημο για την ιστορία της Κοσμολογίας και την ανάδυση της ως επιστημονικού αντικειμένου, αυτό θα ήταν σίγουρα η δημοσίευση τον Νοέμβριο του 1915 της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) από τον Albert Einstein. Η εφαρμογή των εξισώσεων πεδίου του Einstein δυο χρόνια αργότερα οδήγησε και στα πρώτα μοντέλα για το Σύμπαν. Ο ίδιος ο Einstein ήταν από τους πρώτους που χρησιμοποίησαν τις εξισώσεις πεδίου της νέας του θεωρίας για τη βαρύτητα για να παρουσιάσει το δικό του μοντέλο. Το Σύμπαν του Einstein ήταν χωρικά κλειστό, στατικό και χρονικά άπειρο. Με την πρώτη ιδιότητα εξέλιπε και η ανάγκη για συνοριακές συνθήκες. Για να είναι ωστόσο στατικό, θα έπρεπε να υπάρχει ένας παράγοντας που να αναιρεί την τάση των σωμάτων που το απαρτίζουν να έλκονται μεταξύ τους. Ο παράγοντας αυτός είναι η περίφημη σταθερά λ, η κοσμολογική σταθερά (cosmological constant), στις εξισώσεις πεδίου του Einstein.

        \[ R_\mu_\nu-1/2\ g_\mu_\nu\ R-\lambda g_\mu_\nu=-8\pi GT_\mu_\nu \]

    με, λ=8ρπG, όπου ρ είναι η πυκνότητα της μάζας του Σύμπαντος, G η παγκόσμια βαρυτική σταθερά και Τμν , ο τανυστής ορμής – ενέργειας (Weinberg, 1989). Η κοσμολογική σταθερά, μπορούσε να θεωρηθεί ένας όρος που δρούσε ως αρνητική πίεση εξισορρόπησης της βαρύτητας. Το μοντέλο του Einstein βασιζόταν στην πίστη του πως σε μια συνεπή θεωρία σχετικότητας, η αδράνεια ενός σώματος δεν θα έπρεπε να σχετίζεται με τον χώρο αλλά με τη σχετική του θέση ως προς άλλα σώματα[1]. Επίσης, για να αποφύγει προβλήματα συνοριακών συνθηκών, πρότεινε ένα μοντέλο για ένα Σύμπαν χωρικά πεπερασμένο και κλειστό, με ομογενή κατανομή των μαζών σε αυτό (Einstein, 1917).

    Την ίδια εποχή, με τον Einstein, ο Willem de Sitter βασιζόμενος στις εξισώσεις πεδίου του πρώτου, παρουσίασε το δικό του μοντέλο για το Σύμπαν. Το μοντέλο του de Sitter ήταν μια μαθηματική κατασκευή χωρίς ύλη και αφορούσε ένα Σύμπαν επίσης στατικό στο οποίο η ύλη μπορούσε να προστεθεί αργότερα (Realdi, 2019).

    Και τα δύο αυτά μοντέλα βασισμένα, στην καινούργια θεωρία, δεν έτυχαν ευρείας αποδοχής από την, εξαιρετικά μικρή, κοινότητα των φυσικών που καταπιάνονταν με αυτά τα προβλήματα. Ο Arthur Eddington μάλιστα, έδειξε πως το στατικό Σύμπαν του Einstein ήταν εξαιρετικά ασταθές, και, έστω και μια μικρή διαταραχή στην πυκνότητά του, θα οδηγούσε στη διαστολή ή την κατάρρευση του.Εικόνα 1: Όρθιοι από αριστερά· Albert Einstein, Paul Ehrenfest, και Willem de Sitter. Στην πρώτη σειρά Arthur Eddington (αριστ.) και Hendrik Lorentz (δεξ.) Credits: H. van Batenburg – Credit: Leiden Archives.Στις αρχές τις δεκαετίας του 1920, ήταν ο Georges Lemaitre και ο Alexander Friedmann που διατύπωσαν τα πρώτα εξελικτικά μοντέλα για το Σύμπαν βασιζόμενοι στη ΓΘΣ. Και οι δύο θεωρούν πως το Σύμπαν έχει εξελιχθεί από ένα αρχικό στάδιο, το πρωταρχικό άτομο κατά Lemaitre, στο οποίο οι συνθήκες ήταν πολύ διαφορετικές από τις σημερινές.Εικόνα 2: Alexander Friedmann (1988 – 1925). Από τους πρωτοπόρους της μελέτης του Σύμπαντος. Η σημασία του έργου του, αναγνωρίστηκε εν πολλοίς μετά τον πρόωρο θάνατό του το 1925 από τύφο.Όλα τα παραπάνω μοντέλα στηρίζονταν σε διαφορετικές λύσεις των εξισώσεων πεδίου του Einstein και βασικές παραδοχές όπως η Κοσμολογική Αρχή[2] (Cosmological Principle). Την εποχή εκείνη το Σύμπαν ήταν ουσιαστικά ο Γαλαξίας μας ο οποίος από τις παρατηρήσεις δεν φαινόταν να εκτείνεται ή να συρρικνώνεται. Κι όμως, λίγα χρόνια αργότερα η κοσμοεικόνα μας άλλαξε δραστικά. Το 1925 ο Edwin Hubble έδειξε πως τα σπειροειδή νεφελώματα που παρατηρούσαν στον ουρανό, ανάμεσά τους και αυτό της Ανδρομέδας, βρίσκονται εξαιρετικά μακριά για να αποτελούν μέρος του Γαλαξία μας και πως πρόκειται στην πραγματικότητα για έξω-γαλαξιακά αστρικά συστήματα, παρόμοια με τον δικό μας Γαλαξία.

    Δεν πέρασαν, παρά μόνο λίγα χρόνια, ώστε ο Hubble να δημοσιεύσει το 1929 την επόμενη εντυπωσιακή του ανακάλυψη. Παρατηρώντας τα φάσματα εκπομπής 24 γαλαξιών έδειξε πως αυτά είναι μετατοπισμένα προς το ερυθρό, άρα απομακρύνονται από εμάς (τον Γαλαξία μας), και μάλιστα η ταχύτητα απομάκρυνσης είναι ανάλογη της απόστασης από τη Γη (Hubble, 1929). «Υπέροχα!» θα αναφωνούσαν κάποιοι. Αν όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς, έστω και έτσι επαναφέρουμε τον Γαλαξία μας στο κέντρο του Κόσμου. Η πραγματικότητα είναι βέβαια διαφορετική. Όλο το Σύμπαν διαστέλλεται και για αυτό όλοι οι γαλαξίες που το απαρτίζουν απομακρύνονται μεταξύ τους.Εικόνα 3: Το διάγραμμα ταχύτητας απομάκρυνσης – απόστασης για τους 24 γαλαξίες που μελέτησε αρχικά ο Edwin Hubble (μαύρα σημεία). (Hubble, 1929)Το ερώτημα της συσχέτισης της ταχύτητας κίνησης των έξω-γαλαξιακών νεφελωμάτων με την απόστασή τους από τη θέση της Γης είχε ερευνηθεί και τα προηγούμενα χρόνια από άλλους ερευνητές όπως ο Gustaf Stromberg, αλλά δεν είχαν δείξει κάποια συγκεκριμένη συσχέτιση (Stromberg, 1925). Και όπως αναφέραμε παραπάνω, η περίπτωση του διαστελλόμενου Σύμπαντος είχε ήδη περιγραφεί θεωρητικά, σε  ανεξάρτητες εργασίες, από τους Lemaitre και Friedman και επίσης είχε προβλεφθεί η μετατόπιση προς το ερυθρό των φασμάτων των μακρινών νεφελωμάτων (των μετέπειτα γαλαξιών) (Friedmann, 1999 και Lemaitre, 1927). Ωστόσο, η επιβεβαίωση μέσω των παρατηρήσεων αυτής της υπόθεσης υπήρξε ένα καθοριστικό, όσο και επαναστατικό βήμα, στην εξέλιξη της σύγχρονης Κοσμολογίας. Η μετάβαση από ένα αιώνιο και στατικό Σύμπαν, σε ένα, που εξελίσσεται και μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, βρήκε αρκετές αντιδράσεις, μεταξύ των οποίων και του ίδιου του Edwin Hubble, ο οποίος προσπάθησε να αποδώσει τη μετατόπιση προς το ερυθρό, σε άλλα αίτια (Smith, 2019).

    ΤΟ ΠΡΩΤΑΡΧΙΚΟ ΑΤΟΜΟ ΚΑΙ ΤΟ BIG BANG

    Αν και οι συζητήσεις για το τέλος και την αρχή του κόσμου είχαν απασχολήσει και στο παρελθόν τους επιστήμονες, αυτό γινόταν κυρίως, αντιμετωπίζοντας το Σύμπαν, ως ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Η ΓΘΣ όμως εμφάνισε νέες δυνατότητες στην διατύπωση θεωριών κυρίως για τα αρχικά στάδια του Σύμπαντος. Η πρώτη αναφορά σε μια αρχική κατάσταση του Σύμπαντος ανήκει στον Friedmann, ο οποίος με δύο εργασίες το 1922 και το 1924, περιγράφοντας ένα ομογενώς διαστελλόμενο Σύμπαν, με μηδενική αρχική ακτίνα και σημερινή τιμή R=R0 σημειώνει:Ο χρόνος από τη δημιουργία του σύμπαντος, είναι το χρονικό διάστημα ανάμεσα στις στιγμές που το σύμπαν είχε ακτίνα R=0 και R=R0 · και ο χρόνος αυτός μπορεί να είναι άπειρος (Friedmann, 1999).Οι εργασίες του Friedmann, δημοσιευμένες στη Γερμανία, ενώ ο ίδιος ζούσε και εργαζόταν στη Σοβιετική Ένωση, δεν έγιναν άμεσα, ευρέως, γνωστές στην κοινότητα των φυσικών της εποχής. Ο Einstein πάντως ήταν γνώστης της ιδέας του για το διαστελλόμενο Σύμπαν και διαφωνούσε με αυτή.

    Ανεξάρτητα από τον Friedmann, ο Georges Lemaitre δημοσιεύει το 1927 τη δική του εκδοχή για ένα διαρκώς εκτεινόμενο Σύμπαν, βασιζόμενος και στα πρώτα αποτελέσματα για τις ταχύτητες των υπέρ-γαλαξιακών νεφελωμάτων από τους Hubble και Stromberg (Lemaitre, 1927). Ο Lemaitre περιγράφει ένα Σύμπαν με σταθερή μάζα, μη μηδενική κοσμολογική σταθερά και με διαρκώς αυξανόμενη ακτίνα. Η τελευταία αυξάνεται διαρκώς από μια αρχική τιμή, αλλά ο χρόνος που διαρκεί αυτή η αύξηση, όπως και στο μοντέλο του Friedmann, μπορεί να είναι άπειρος. Με την ιδέα του Lemaitre διαφωνούσε τόσο ο Einstein όσο και ο Arthur Eddington, ο οποίος αν και είχε δείξει την αστάθεια του στατικού Σύμπαντος του Einstein, θεωρούσε αποκρουστική την έννοια της αρχής του Σύμπαντος. Η άποψη του Lemaitre διατυπώνεται σε ένα σύντομο και περιγραφικό γράμμα στο περιοδικό Nature το 1931. Εκεί, εκκινώντας από τις ιδέες πως, πρώτον η ενέργεια του Σύμπαντος κατανέμεται σε διακριτά κβάντα και δεύτερον τα κβάντα ενέργειας διαρκώς αυξάνονται, καταλήγει στο συμπέρασμα πως σε προηγούμενο χρόνο, η ενέργεια θα ήταν κατανεμημένη σε πολύ λιγότερα, ακόμα και σε ένα κβάντο. Σε αυτό το πρωταρχικό άτομο οι έννοιες του χώρου και του χρόνου θα στερούνται νοήματος.Αν η έρευνα στη κβαντική θεωρία μελλοντικά στραφεί σε αυτή την κατεύθυνση, θα μπορούσαμε να συλλάβουμε την αρχή του Σύμπαντος στη μορφή ενός μόνο ατόμου, η ατομική μάζα του οποίου θα ήταν η ολική μάζα του Σύμπαντος. […] Η ιστορία του κόσμου δεν είναι κατ’ ανάγκη γραμμένη στο πρώτο άτομο όπως η φωνή σε ένα δίσκο φωνογράφου. Ολόκληρη η μάζα του Σύμπαντος μπορεί να είναι εκεί από την αρχή, αλλά η ιστορία του ίσως να γράφεται βήμα βήμα (Lemaitre, 1931).Τα μοντέλα εξέλιξης του Σύμπαντος υπό το φως της ανακάλυψης του διαστελλόμενου  σύμπαντος συνέχισαν να απασχολούν την κοινότητα των φυσικών. Ο επόμενος σημαντικός σταθμός, όμως, έρχεται μετά τον Β! Παγκόσμιο Πόλεμο από τον George Gamow. Ο Gamow προτείνει μια θεωρία εξέλιξης του Σύμπαντος που προέρχεται από μια αρχική κατάσταση εξαιρετικά υψηλής ενέργειας και πυκνότητας. Συνδυάζοντας τις γνώσεις του στην ΓΘΣ αλλά και την πυρηνική φυσική ο Gamow περιγράφει τα στάδια δημιουργίας των διάφορων στοιχείων από ένα τέτοιο αρχικό στάδιο και μάλιστα προβλέπει την αφθονία των νετρονίων και των πρωτονίων σε συνάρτηση με τον χρόνο (Gamow, 1948). Μερικά χρόνια αργότερα, το 1953, ο Gamow προβλέπει και την ύπαρξη μιας ακτινοβολίας υποβάθρου, απομεινάρι της εποχής που στο σύμπαν κυριαρχούσε ακόμα η ακτινοβολία, την οποία προσδιορίζει στους 7 βαθμούς Kelvin στην εποχή μας, λόγω της διαστολής του Σύμπαντος.Εικόνα 4: George Gamow (1904 – 1968). Από τους σημαντικότερους φυσικούς του 20ου αιώνα που διακρίθηκε σε πολλά και διαφορετικά πεδία. Υπήρξε ο πατέρας του Big Bang Theory.Η ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ

    H θεωρία για την εξέλιξη του Σύμπαντος από τον Gamow έγινε ιδιαίτερα δημοφιλής μετά τη δεκαετία του 1960 ως Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης[3](Big Bang Theory, ΘΜΕ) όρος που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Την ίδια χρονιά βέβαια, το 1948, παρουσιάστηκε από τους Fred Hoyle, Hermann Bondi και Thomas Gold μία εναλλακτική θεωρία για το Σύμπαν, αυτή της Σταθερής Κατάστασης (Steady State Theory, ΘΣΚ). Βασική αρχή αυτής της θεωρίας ήταν πως το Σύμπαν δεν είναι ομογενές και ισότροπο μόνο χωρικά, αλλά και χρονικά, δηλαδή φαίνεται το ίδιο όχι μόνο από οποιοδήποτε σημείο του, αλλά και οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Για να ισχύει αυτή η διευρυμένη κοσμολογική αρχή και η πυκνότητα του Σύμπαντος να παραμένει σταθερή, συνεπάγεται πως υπάρχει κάποιος μηχανισμός δημιουργίας καινούργιας ύλης (Kragh, 2019). Η παραπάνω θεωρία παραβιάζει προφανώς την αρχή διατήρησης της ενέργειας αλλά, οι δημιουργοί της, το θεωρούσαν ένα μικρό τίμημα ώστε να αποκτήσουμε μια καλή κοσμολογική θεωρία.

    Η ΘΣΚ είχε αρκετή απήχηση για κάποια χρόνια και αυτό οφείλεται και στο γεγονός πως το πρώτο σύγγραμμα με τον όρο Κοσμολογία, γράφτηκε από τον Bondi το 1952 και αποτέλεσε οδηγό για τις σπουδές σε αυτό το πεδίο για περίπου δύο δεκαετίες. Στο βιβλίο δεν παρουσιαζόταν μόνο η ΘΣΚ αλλά ωστόσο κατείχε σημαντική θέση. Τονίζουμε την σημασία του πρώτου συγγράμματος Κοσμολογίας, καθώς, διαχρονικά, η δημιουργία των επιστημονικών κοινοτήτων συνδέεται με την ύπαρξη κοινών σημείων αναφοράς, όπως είναι η δημιουργία πανεπιστημιακών τμημάτων και η διδασκαλία με κοινά συγγράμματα.

    Αν και οι υποστηρικτές της ΘΣΚ ήταν αρκετοί και ένθερμοι, και υποστήριζαν πως η θεωρία εξηγεί καλύτερα τα παρατηρησιακά δεδομένα, μια τυχαία ανακάλυψη το 1965 θα έβαζε τέλος στην πορεία της. Στα εργαστήρια της εταιρείας Bell, οι Arno Penzias και Robert Wilson, πειραματίζονταν σε μια καινούργια κεραία μικροκυμάτων, η οποία λάμβανε σήματα μήκους κύματος εφτά εκατοστών, για να μπορέσουν να εγκαταστήσουν μια σύνδεση με επικοινωνιακούς δορυφόρους της εταιρείας. Ωστόσο, στις μετρήσεις τους έβρισκαν πάντα και προς όλες τις κατευθύνσεις μια ακτινοβολία μικροκυμάτων που δεν μπορούσε να προέρχεται από δορυφόρους. Οι Penzias και Wilson απομόνωσαν την ακτινοβολία αυτή και αναγνώρισαν το φάσμα της ως αντίστοιχο, όπως ενός μέλανος σώματος, με θερμοκρασία 3.5±1 Κ.

    H σημασία της ανακάλυψης αυτής δεν αναγνωρίστηκε αμέσως από τους Penzias και Wilson, οι οποίοι αν και προσδιόρισαν πως η ακτινοβολία δεν μπορεί να προέρχεται από τον γαλαξία μας, αδυνατούσαν να ερμηνεύσουν την προέλευσή της. Ωστόσο την ίδια περίοδο, λίγα χιλιόμετρα δυτικότερα, στο Πανεπιστήμιο του Princeton, μια άλλη ομάδα, υπό τον Robert Dicke, ανέπτυσσε ένα μοντέλο Μεγάλης Έκρηξης στο οποίο προβλεπόταν η ύπαρξη μιας Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (Cosmic Microwave Background Radiation). Η γνωστοποίηση της ανακάλυψης των Penzias και Wilson ήρθε να επιβεβαιώσει αυτή την πρόβλεψη και να καθορίσει τον νικητή στη διαμάχη για το επικρατέστερο κοσμολογικό μοντέλο. Η ΘΣΚ δέχτηκε ένα ισχυρό πλήγμα από τις αστρονομικές παρατηρήσεις και από τότε ουσιαστικά εξαφανίστηκε. Η μορφή του φάσματος της ακτινοβολίας δεν συμφωνούσε πλήρως ούτε με τις προβλέψεις του Gamow μια δεκαετία νωρίτερα, ούτε με αυτές των Dicke, Peebles κ.α., ωστόσο αυτές οι διαφορές καλύφθηκαν στην πορεία με νέες παρατηρήσεις αλλά και την εισαγωγή της σκοτεινής ύλης (dark matter) ως σημαντικού συστατικού του Σύμπαντος.

    Η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου αποτελεί σταθμό στην ανάπτυξη της κοσμολογίας διότι πρώτον, αποτέλεσε μια επιβεβαίωση των θεωριών εξέλιξης του Σύμπαντος που είχαν διατυπωθεί ήδη, λειτουργώντας όπως ακριβώς η εύρεση απολιθωμάτων εξαφανισμένων οργανισμών για τη Θεωρία της Εξέλιξης (Evolution Theory). Δεύτερον, η μελέτη του φάσματός της έδωσε και εξακολουθεί και δίνει και σήμερα, σημαντικά δεδομένα για τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος και, επίσης, τρίτον, υπήρξε η αρχή και η βάση αυτού που ονομάζουμε σήμερα Κοσμολογία Ακριβείας (Precision Cosmology).

    «ΣΩΖΕΙΝ ΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ;»– ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ – ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ – ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

    Η ΘΜΕ είχε σημαντικές επιτυχίες στην εξήγηση των παρατηρησιακών δεδομένων όπως, της διαστολής του Σύμπαντος, του τρόπου δημιουργίας των διάφορων στοιχείων και των συγκεντρώσεών τους, και φυσικά της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Όπως συμβαίνει όμως συχνά με διάφορες όμορφες και μαθηματικά άρτιες θεωρίες, υπάρχουν κάποια δεδομένα που λένε όχι, κάποιες παρατηρήσεις που δεν ταιριάζουν με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές.

    Στο πεδίο της μελέτης της δομής του Σύμπαντος τα πρώτα τέτοια στοιχεία ήρθαν πολύ νωρίς, μερικά μόλις χρόνια από την ανακάλυψη άλλων γαλαξιών εκτός από τον δικό μας. Το 1933, ο αυστριακός αστρονόμος Fritz Zwicky, μελετώντας ομάδες γαλαξιών παρατήρησε πως οι γαλαξίες περιστρέφονται γύρω από το κέντρο μάζας της ομάδας τους με ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτές που θα αναμενόταν εξ’ αιτίας της ορατής τους μάζας, σαν να υπήρχε μια ποσότητα ύλης αόρατης σε εμάς (Bertone & Hooper, 2018). Ο Zwicky υπολόγισε την ποσότητα αυτής της σκοτεινής ύλης[4], που χρειαζόταν ώστε να ερμηνευθεί η κίνηση των γαλαξιών και είδε πως υπερτερούσε κατά πολύ της φωτεινής ύλης των Γαλαξιών. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν οπωσδήποτε εντυπωσιακό. Όσο για τη φύση αυτής της σκοτεινής ύλης, ο ίδιος εξηγεί σε δημοσίευση του 1937:[…] θα πρέπει να ξέρουμε το ποσό της σκοτεινής ύλης που είναι ενσωματωμένο στα νεφελώματα, με τη μορφή ψυχρών αστέρων, μικροσκοπικών αλλά και μακροσκοπικών σωμάτων και αερίων (Bertone & Hooper, 2018)Οι επόμενες σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη άγνωστης ύλης στους γαλαξίες ήταν η μελέτη των καμπυλών των ταχυτήτων περιστροφής των αστέρων σε ένα γαλαξία. Μεταξύ άλλων, η Vera Rubin και ο Kent Ford μελετώντας τις ταχύτητες των αστέρων του γαλαξία της Ανδρομέδας, παρατήρησαν πως αυτές δεν μειώνονται καθώς αυξάνεται η απόσταση από το κέντρο του γαλαξία, όπου είναι συγκεντρωμένο και το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Η παρατήρηση αυτή ερχόταν σε αντίθεση με τις βασικές αντιλήψεις μας για το βαρυτικό πεδίο. Θα χρειαζόταν μια αύξηση στη μάζα του γαλαξία, όχι όμως κατανεμημένη στην κεντρική του περιοχή, για να εξηγηθούν οι επίπεδες καμπύλες της ταχύτητας περιστροφής. Οι Rubin και Ford[5] δεν προχώρησαν στο επόμενο βήμα, να υιοθετήσουν δηλαδή την ανάγκη ύπαρξης κάποιας μορφής σκοτεινής ύλης (de Swart, et al., 2017).Εικόνα 5: Οι ταχύτητες περιστροφής στον γαλαξία Μ31, ως συνάρτηση της απόστασής τους από το κέντρο. Η συνεχής γραμμή είναι η βέλτιστη προσαρμοσμένη καμπύλη. (Rubin & Ford, 1970).Για να μπορέσει να εισαχθεί όρος της σκοτεινής ύλης στα αστρονομικά και κοσμολογικά μοντέλα, έπρεπε να προηγηθεί ένα ακόμα στάδιο. Στη δεκαετία του 1970 η κοσμολογία, ως το αντικείμενο μελέτης του Σύμπαντος στην ολότητά του, κέρδιζε το ενδιαφέρον αρκετών επιστημόνων. Ένα από τα κύρια κοσμολογικά προβλήματα της εποχής ήταν ο καθορισμός της πυκνότητας της ύλης στο Σύμπαν. Αυτό με τη σειρά του θα καθόριζε αν ζούμε σε ένα κλειστό, ανοιχτό, ή επίπεδο Σύμπαν. Για αισθητικούς ή φιλοσοφικούς λόγους οι περισσότεροι επιστήμονες ήταν υπέρ ενός κλειστού Σύμπαντος. Η μετρούμενη πυκνότητα ύλης όμως, υπολειπόταν κατά περίπου 2 τάξεις μεγέθους από την κρίσιμη πυκνότητα, ώστε το Σύμπαν να χαρακτηριστεί ως κλειστό. Ήταν αυτή η ανάγκη που φώτισε τις ξεχασμένες εργασίες του Zwicky και τις πιο πρόσφατες των Rubin, Ford, κ.α.  και οδήγησε τους κοσμολόγους στην υιοθέτηση μιας σκοτεινής ύλης η οποία αυξάνει κατά πολύ τη μάζα των γαλαξιών άρα και τη μέση πυκνότητα ύλης του Σύμπαντος (de Swart, et al., 2017).Εικόνα 6: Η Vera Rubin, το 1974 μελετώντας ένα φάσμα στο Carnegie Institution,  Washington, D.C.Credit: NOIRLab/NSF/AURA.Η φύση της σκοτεινής ύλης, κάποιας μορφής ύλης δηλαδή, που αλληλεπιδρά μονάχα βαρυτικά με τη γνωστή μας ύλη, παραμένει μέχρι και σήμερα άγνωστη. Πολλά υποψήφια σωματίδια έχουν προταθεί ή και άλλες λύσεις, όπως η ύπαρξη αρχέγονων μαύρων τρυπών. Σε θεωρητικό επίπεδο, σωματίδια σκοτεινής ύλης έχουν προβλεφθεί μέσω του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, ωστόσο κανένα δεν έχει ανιχνευθεί ακόμα πειραματικά. Επίσης, είναι πολύ πιθανό η σκοτεινή ύλη, όπως και η γνωστή μας βαρυονική ύλη, να μην αποτελείται από ένα μόνο είδος σωματιδίων αλλά από πολλά. Η ύπαρξή της πάντως, βεβαιώνεται πια με διάφορους τρόπους, όπως η ύπαρξη φαινομένων βαρυτικών φακών και οι ανισοτροπίες στο φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Ακόμα και αν στο μέλλον δεχτούμε νέες ή τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας, φαίνεται πως η σκοτεινή ύλη έχει έρθει για να μείνει.

    Επόμενη σημαντική ιδέα για την εξέλιξη της σύγχρονης μελέτης του Σύμπαντος αποτέλεσε η εισαγωγή στη δεκαετία του 1980 ενός πληθωριστικού σταδίου (inflationary epoch) στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα που αντιμετώπιζε η κοσμολογία της εποχής ήταν η εξαιρετική ομοιομορφία του Σύμπαντος. Ακόμα και περιοχές οι οποίες βρίσκονται τόσο μακριά μεταξύ τους που με βάση την ηλικία του Σύμπαντος δεν θα έπρεπε να έχουν προλάβει να αλληλεπιδράσουν αιτιακά μεταξύ τους παρουσιάζουν ακριβώς την ίδια εικόνα. Το παράδοξο αυτό, το επονομαζόμενο και πρόβλημα του ορίζοντα[6] (horizon problem) μπορεί να λυθεί με την εισαγωγή ενός σταδίου εξαιρετικά βίαιης, εκθετικής διαστολής του Σύμπαντος κατά τις πρώτες του στιγμές. Το στάδιο αυτό, που ονομάστηκε πληθωρισμός, προτάθηκε το 1981 από τον Alan Guth, αν και προηγούμενη συνεισφορά σε παρόμοιες ιδέες είχαν και άλλοι επιστήμονες τόσο από τις ΗΠΑ όσο και από την ΕΣΣΔ.[7] Το πληθωριστικό στάδιο, όπως αναφέρει ο Guth, λύνει δύο βασικά προβλήματα. Τόσο το πρόβλημα του ορίζοντα, στο οποίο αναφερθήκαμε παραπάνω, όσο και το πρόβλημα του επίπεδου Σύμπαντος που θα απαιτούσε μια καλά συντονισμένη (fine tuned) τιμή της σταθεράς του Hubble για να επιτευχθεί (Guth, 1981).

    Η εισαγωγή αυτού του σταδίου, στη διάρκεια του οποίου το νεαρό Σύμπαν υπόκειται σε μια διαδικασία ανάλογη μιας μετάβασης φάσης, έχει και άλλα παράπλευρα οφέλη όπως τη σύνδεση με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων και τις ενοποιητικές θεωρίες. Επίσης, εξηγεί την μη ύπαρξη μαγνητικών μονόπολων στο Σύμπαν. Ίσως το μεγαλύτερο όμως όφελος από τη θεωρία του Guth, είναι πως έφερε την κοσμολογία πιο κοντά στα ενδιαφέροντα των φυσικών στοιχειωδών σωματιδίων και υψηλών ενεργειών. Με αυτό τον τρόπο η κοινότητα της κοσμολογίας ανανεώθηκε τόσο σε ιδέες όσο και σε ανθρώπινο δυναμικό (Longair & Smeenk, 2019).

    Το μεγάλο πρόβλημα όμως παραμένει, πως είναι άγνωστο ποιο ήταν εκείνο το πεδίο που οδήγησε το πρώιμο Σύμπαν στο πληθωριστικό του στάδιο. Το συγκεκριμένο θέμα είναι αμφιλεγόμενο στους κόλπους της κοινότητας των φυσικών, αλλά η μελέτη του ξεφεύγει από τους στόχους αυτού του άρθρου[8].

    Ο τελευταίος, μέχρι τώρα, σημαντικός σταθμός στην εξέλιξη της κοσμολογίας είναι δίχως αμφιβολία η ανακάλυψη το 1998, την ίδια περίοδο από δύο ανεξάρτητες μεταξύ τους ομάδες, της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Το γεγονός αυτό ήρθε να βάλει τέλος στο ερώτημα για την ύπαρξη, ή μη, της περίφημης κοσμολογικής σταθεράς του Einstein. Η κοσμολογική σταθερά, όπως προκύπτει από τις εξισώσεις πεδίου της ΓΘΣ, είναι μη μηδενική και έχει μια θετική τιμή. Ο επιταχυνόμενος ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος μας κάνει να υποθέτουμε πως υπάρχει κάτι στο Σύμπαν που λειτουργεί ως αρνητική πίεση, ως αντιβαρύτητα και κάνει το Σύμπαν να μην επιβραδύνει τη διαστολή του, παρά την ύπαρξη βαρυτικών δυνάμεων. Δυστυχώς, η φύση της σκοτεινής ενέργειας παραμένει πιο αμφίβολη ακόμα και από αυτή της σκοτεινής ύλης. Παραμένει άγνωστο αν οφείλεται σε κάποιο πεδίο, αν σχετίζεται με την ενέργεια κενού της κβαντικής θεωρίας πεδίου ή αν είναι απλά μια σταθερά της γεωμετρίας του Σύμπαντος, μια εγγενής ιδιότητά της (Longair & Smeenk, 2019).Εικόνα 7: Η κατανομή της ολικής ύλης-ενέργειας του Σύμπαντος σε σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη και βαρυονική ύλη. Credit: Astronomy: Roen Kelly, after NIST.Η ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΣΤΟΝ 21Ο ΑΙΩΝΑ – ΜΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ

    Ήδη από την ανακάλυψη της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου η κοσμολογία μπορεί να θεωρηθεί μια επιστήμη που βασίζεται στα παρατηρησιακά δεδομένα και όχι απλά σε θεωρητικά μοντέλα βασισμένα στις γνωστές και καλά εδραιωμένες θεωρίας της φυσικής. Στα χρόνια που πέρασαν από την ανακοίνωση της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος (Turner, 1999) όμως έχει συντελεστεί μια σπουδαία αύξηση του όγκου των δεδομένων και των μεθόδων παρατήρησης στην κοσμολογία. Η μελέτη του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας από το πρόγραμμα COBE της NASA και του αντίστοιχου προγράμματος Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, τα δεδομένα από τα επίγεια αλλά και τα δορυφορικά τηλεσκόπια αλλά και οι καταγραφές του πρώτου συμβολόμετρου βαρυτικών κυμάτων (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO), έχουν οδηγήσει σε αυτό που ονομάζεται κοσμολογία ακριβείας (Turner, 2022).

    Όλα τα παραπάνω έχουν οδηγήσει στην ευρεία αποδοχή ενός Καθιερωμένου Προτύπου για την Κοσμολογία, του Λ-CDM, δηλαδή ενός μοντέλου που βασίζεται στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, με τις προσθήκες της σκοτεινής ύλης (Cold Dark Matter) και της σκοτεινής ενέργειας (με τη μορφή της κοσμολογικής σταθεράς – Λ). Το μοντέλο ΛCDM υποστηρίζεται πια από ένα τεράστιο πλήθος και διαφορετικού είδους παρατηρήσεων. Ορισμένα προβλήματα φυσικά παραμένουν, όπως η απόκλιση στις μετρήσεις της σταθεράς του Hubble καθώς και το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Τα ερωτήματα για τη φύση της σκοτεινής ύλης και, κυρίως, της σκοτεινής ενέργειας επίσης παραμένουν με τους επιστήμονες να ελπίζουν πως η έρευνα, τουλάχιστον για τη σκοτεινή ύλη, να αποδώσει σύντομα καρπούς.

    Μία άλλη μεγάλη μεταβολή που έχει συντελεστεί στην κοσμολογία τον 21ο αιώνα είναι η αύξηση του κύρους της και της θέσης της ανάμεσα στην κοινότητα των φυσικών. Αυτό αποτυπώνεται στον αριθμό των δημοσιεύσεων, στο πλήθος των επιστημόνων που ασχολούνται στον τομέα αλλά και στη χρηματοδότηση της έρευνας. Μόλις το 2022 μπήκε σε λειτουργία το James Webb Space Telescope, με κόστος κατασκευής και λειτουργίας δέκα δισεκατομμύρια δολάρια, που ήδη στέλνει παρατηρήσεις και δεδομένα για τις απόμακρες περιοχές του Σύμπαντος. Υπάρχουν επίσης σχέδια για την κατασκευή ενός διαστημικού συμβολόμετρου ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Η παρατήρηση του Σύμπαντος μέσω των βαρυτικών κυμάτων, που επιτεύχθηκε στο LIGO το 2015, άνοιξε για πρώτη φορά ένα νέο παράθυρο θέασης του κόσμου, που οι επιστήμονες ευελπιστούν πως θα φωτίσει πολλές σκοτεινές περιοχές της γνώσης μας για τον κόσμο.

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

    Η πορεία της κοσμολογίας κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό χρόνων άλλαξε δραστικά την εικόνα που έχουμε για τον Κόσμο. Παρά τις αναμφίβολες επιτυχίες της όμως, καθώς και την εξέλιξη της σε μια επιστήμη ακριβείας, δεν στερείται προβλημάτων και ανοιχτών ερωτημάτων που περιμένουν απάντηση. Ίσως, η επόμενη μεγάλη αλλαγή στη φυσική να κυοφορείται ήδη στους κόλπους της Κοσμολογίας και στις προσπάθειες ερμηνείας της δομής του Σύμπαντος.

    Ανάμεσα στις απαντήσεις που προτείνονται στο πλαίσιο της κοσμολογίας ανήκουν πολλές, όπως η θεωρία για το πολύ-Σύμπαν (Multiverse), που εγείρουν ερωτηματικά για τηνΕικόνα 8: Η θέση και η τροχιά του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb Credits: NASA, ESA, CSA, STScI. Η εικόνα δεν είναι υπό κλίμακα.επιστημονικότητά τους. Τέτοιου είδους θεωρίες μας κάνουν να αναρωτιόμαστε για τα όρια της επιστήμης και αν μπορεί να περιλαμβάνει θεωρίες που μπορούν να ερμηνεύσουν τα πάντα και για τον λόγο αυτόν, δεν μπορούν να διαψευστούν. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει λοιπόν η Κοσμολογία και από την πλευρά της Φιλοσοφίας της Επιστήμης. Αλλά αυτό είναι ένα ζήτημα που θα πρέπει να το προσεγγίσουμε σε επόμενο άρθρο.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Θόδωρο Αραμπατζή και Αντώνη Αντωνίου για τις χρήσιμες και εύστοχες παρατηρήσεις τους.

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Οι ιδέες του Einstein για τη σχετικότητα του χώρου, του χρόνου αλλά και της αδράνειας ήταν επηρεασμένες από τις αντίστοιχες θέσεις του Ernst Mach.

    [2] Η Κοσμολογική Αρχή υποστηρίζει πως το Σύμπαν, σε μεγάλη κλίμακα, είναι ομογενές και ισότροπο. Είναι δηλαδή το ίδιο, και έχει τις ίδιες ιδιότητες από οποιοδήποτε σημείο, ή προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, το παρατηρούμε. Η κοσμολογική αρχή έχει τις ρίζες της στον Κοπέρνικο, για τον λόγο αυτόν συχνά εμφανίζεται και ως Κοπερνίκεια Αρχή, ο οποίος διατύπωσε την άποψη πως η Γη δεν κατέχει κάποια ξεχωριστή θέση στον Κόσμο. Η Κοσμολογική Αρχή επιβεβαιώνεται ισχυρά από τις σύγχρονες παρατηρήσεις.

    [3] Όπως αναπτύχθηκε και από τους Dicke, Peebles κ.α.

    [4] Έναν όρο που δεν χρησιμοποιεί πρώτος, αλλά έχει σε μεγάλο βαθμό πιστωθεί σε αυτόν.  Επίσης, ο λόγος της “σκοτεινής” προς την “φωτεινή” ύλη που υπολόγισε ο Zwicky, ήταν ιδιαίτερα αυξημένος εξ’ αιτίας λάθος παραμέτρων της εποχής, ωστόσο το πρόβλημα ήταν υπαρκτό.

    [5] Όπως και ο Kenneth Freeman που ανεξάρτητα έκανε παρόμοιες παρατηρήσεις την ίδια εποχή.

    [6] Ίσως κάποιος περίμενε, το πρόβλημα του ορίζοντα, να αφορά κάποιους γαλαξίες ή περιοχές που, όπως τις παρατηρούμε από τη Γη, βρίσκονται αντιδιαμετρικά στον ουράνιο θόλο. Αυτό δεν είναι ακριβές. Μπορεί να αφορά περιοχές που απέχουν μεταξύ τους ελάχιστες μόνο μοίρες στον ουράνιο θόλο. Κατά συνέπεια ο αριθμός των περιοχών που είναι αιτιακά ασύνδετες μεταξύ τους είναι τεράστιος. Ο Guth αναφέρει πως είναι της τάξης του ~1083 (Guth, 1981).

    [7] Ενδεικτικά αναφέρω τους Sidney Bludman, Andrei Linde, Yakov Zel’dovich

    [8] Για μια επισκόπηση του ζητήματος του πληθωρισμού, βλέπε (Steinhardt, 2011)ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Bertone, G., and Hooper, D., 2018. History of Dark Matter. Reviews of Modern Physics, 90(4), p. 045002. doi: 10.1103/RevModPhys.90.045002

    de Swart, J., Bertone, G., and van Dongen, J., 2017. How Dark Matter Came to Matter. Nature Astronomy, 1. https://doi.org/10.48550/arXiv.1703.00013

    Einstein, A., 1917. Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie. Sitz. König. Preuss. Akad., pp. 142-152. Αγγλική μετάφραση διαθέσιμη ως ‘Cosmological considerations on the general theory of relativity’ στο https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-trans/433

    Friedmann, A., 1999. On the Possibility of a World with Constant Negative Curvature of Space. General Relativity and Gravitation 31, 2001–2008.  Translation from: Z. Physik 21, 326–332 (1924). https://doi.org/10.1023/A:1026755309811

    Gamow, G., 1948. The Evolution of the Universe. Nature 162 (4122), 680–682. doi:10.1038/162680a0

    Guth, A., 1981. Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D 23(2), pp. 347-356. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.23.347

    Hubble, E., 1929. A relation between distance and radial velocity among extra-Galactic Nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 15 3, 168-73. https://doi.org/10.1073/pnas.15.3.168

    Kragh, H., 2019. Steady-State Theory and the Cosmological Controversy. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Lemaitre, G., 1927. A Homogeneous Universe of Constant Mass and Growing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extragalactic Nebulae. Annales Soc. Sci. Bruxelles A 47, 49-59, Gen. Rel. Grav. 45 (2013) 8, 1635-1646. https://doi.org/10.1007/s10714-013-1548-3

    Lemaitre, G., 1931. The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory. Nature 127, p. 706. https://doi.org/10.1038/127706b0

    Longair, M., and Smeenk, C., 2019. Inflation, dark matter, and dark energy. In: H. Kragh & M. Longair, eds. The Oxford Handbook of the History. New York: Oxford University Press, pp. 425-464. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Realdi, M., 2019. Relativistic Models and the Expanding Universe. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Rubin, V., and Ford, K., 1970. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophysical Journal 159, p. 379. doi:10.1086/150317

    Smith, R., 2019. Observation and the Universe. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Steinhardt, P., 2011. The Inflation Debate: Is the Theory at Heart of Modern Cosmology Deeply Flawed?. Scientific American 304, pp. 18-25. doi: 10.1038/scientificamerican0411-36

    Stromberg, G., 1925. Analysis of Radial Velocities of Globular Clusters and non-Galactic Nebulae. Astrophysical Journal 61, p. 353-362. doi: 10.1086/142897

    Turner, M., 1999. Cosmology solved? Maybe. Nuclear Physics B – Proceedings Supplements  72, p. 69–80. https://doi.org/10.48550/arXiv.astro-ph/9811366

    Turner, M., 2022. The Road to Precision Cosmology. Annual Review of Nuclear and Particle Science 72, pp. 1-33. https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.04741

    Weinberg, S., 1989. The Cosmological Constant Problem. Reviews of Modern Physics 61(1), p. 1-23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1
    Νίκος Αλεξίου, Εκπαιδευτικός, Φυσικός, Υποψήφιος Διδάκτωρας ΕΚΠΑ

    Ο Νίκος Αλεξίου έχει σπουδάσει Φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και εργάζεται ως εκπαιδευτικός στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση. Είναι κάτοχος μεταπτυχιακού διπλώματος ειδίκευσης στην Ιστορία και Φιλοσοφία της Επιστήμης και είναι υποψήφιος διδάκτορας της Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Κοσμολογίας. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα εστιάζουν στην ιστορική πορεία των θεωρητικών οντοτήτων της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας ώστε να αποτελούν σήμερα αναπόσπαστο μέρος του Καθιερωμένου Κοσμολογικού Προτύπου, και των φιλοσοφικών προεκτάσεών τους.

  • ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ DESK-TOP

    ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ DESK-TOP

    Νέφη υδρογόνου (κόκκινο) και οξυγόνου (μπλε) στον αστερισμο του Κύκνου, κοντά στο αστέρι Γάμμα του Κύκνου (Sadr).Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε την προσομοίωση φαινομένων κοσμικής κλίμακας, όπως οι μαύρες τρύπες και η διαστολή του σύμπαντος, από μορφώματα ψυχρών ατόμων σε ένα εργαστήριο. Τα επιτεύγματα αυτά εδράζονται σε αναλογίες που υπάρχουν ανάμεσα στην επίδραση  των βαρυτικών πεδίων στην τροχιά του φωτός και την κίνηση του φωτός μέσα σε οπτικά υλικά και ανοίγουν πρωτόγνωρους και απρόσμενους δρόμους στη μελέτη του σύμπαντος. ΟΠΤΙΚΗ ΚΑΙ ΒΑΡΥΤΗΤΑ

    Οι μαύρες τρύπες, αυτά τα εξωτικά ουράνια σώματα, έχουν εξάψει στην κυριολεξία τη φαντασία του κοινού. Αρκεί να θυμηθούμε τον θόρυβο που είχε προκληθεί πριν κάποια χρόνια με αφορμή κάποια από τα πειράματα που εξελίσσονταν στο CERN και την πιθανότητα να εμφανιστούν σε αυτά «μικροσκοπικές» μαύρες τρύπες έτοιμες να «καταβροχθίσουν» τα πάντα. Αυτό όμως που σίγουρα δεν έχει περάσει από το νου κανενός είναι η πιθανότητα αυτά τα αντικείμενα να παραχθούν σε ένα εργαστήριο σύγχρονης ατομικής φυσικής ή ακόμη περισσότερο, σε κάποια χρόνια, να πωλούνται και ως παιγνίδι. Ίσως αυτή η ημέρα να είναι πολύ κοντά, αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος πανικού. Αυτές οι «μαύρες» τρύπες θα είναι απόλυτα ασφαλείς και δεν πρόκειται να καταπιούν κανέναν!

    Ας πάρουμε λίγο τα πράγματα από την αρχή. Στην Εικ.1 βλέπουμε ένα απλό πείραμα οπτικής: την κάμψη μιας δέσμης λέιζερ όταν αυτή περάσει από ένα δοχείο γεμάτο νερό στο οποίο έχουμε διαλύσει μερικούς κύβους ζάχαρης. Η αιτία της κάμψης είναι η διάθλαση της δέσμης από τα στρώματα με διαφορετικό δείκτη διάθλασης που σχηματίζονται στο διάλυμα. Αυτό συμβαίνει επειδή η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας ελαττώνεται με την απόσταση από τον πυθμένα του δοχείου με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια σχετικά ομαλή μεταβολή του δείκτη διάθλασης που κάμπτει την ακτίνα κατά συνεχή και εντυπωσιακό τρόπο. Με λίγη επιδεξιότητα από την πλευρά του πειραματιστή, η ακτίνα μπορεί να ανακλαστεί στον πυθμένα και έπειτα, ακολουθώντας πάλι καμπύλη τροχιά, να εξέλθει από το δοχείο.

    Ας πάμε τώρα σε ένα εντελώς διαφορετικό φυσικό σύστημα. Στην Εικ.2 βλέπουμε την καμπύλωση της τροχιάς του φωτός, που καταφτάνει από ένα μακρυνό άστρο, όταν στην πορεία του βρεθεί ένα ουράνιο σώμα με μεγάλη μάζα, όπως ο Ήλιος, σύμφωνα με τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ). Αυτό το φαινόμενο προκαλεί (όπως και η διάθλαση στην ατμόσφαιρα) την διαφορά ανάμεσα στην πραγματική και την φαινόμενη θέση ενός άστρου στον ουράνιο θόλο. Η αντιστοιχία ανάμεσα στις δύο εικόνες είναι προφανής και εκπληκτική: η πορεία του φωτός μέσα από ένα οπτικό υλικό “ισοδυναμεί” με την επίδραση μιας μεγάλης μάζας στην πορεία του όταν αυτό ταξιδεύει μέσα στο διάστημα. Η πρώτη περίπτωση είναι ένα καθαρά οπτικό φαινόμενο, ενώ η δεύτερη είναι αποτέλεσμα της βαρύτητας.Εικόνα 1: Σε ένα δοχείο που περιέχει νερό έχουμε διαλύσει ζάχαρη. Εάν δεν ανακατέψουμε το διάλυμα, η συγκέντρωση της ζάχαρης είναι μεγάλη κοντά στον πυθμένα του δοχείου και ελαττώνεται βαθμιαία όσο πάμε προς τα πάνω. Αυτό έχει ως  αποτέλεσμα τη δημιουργία στρωμάτων με διαφορετικό δείκτη διάθλασης που καμπυλώνουν την τροχιά της δέσμης λέιζερ.Εικόνα 2: Στο (α) δεν παρεμβάλλεται κάποιο μεγάλο ουράνιο σώμα μεταξύ των τριών άστρων και του παρατηρητή στη Γη. Στο (β) η παρουσία του Ήλιου προκαλεί την καμπύλωση των ακτινών από το φως ενός μακρινού άστρου (του τρίτου στη σειρά). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η φαινόμενη θέση του άστρου στον ουράνιο θόλο να είναι διαφορετική από την πραγματική.Η βαρύτητα είναι η δύναμη που καθορίζει τις κινήσεις των πλανητών, των ηλιακών συστημάτων και των γαλαξιών, δηλαδή του Σύμπαντος. Οι κινήσεις αυτές είναι πολύ μεγάλης κλίμακας και η μελέτη τους βασίζεται σε δεδομένα που καταγράφονται από τηλεσκόπια, μετρήσεις πάνω στα φάσματα ακτινοβολιών που εκπέμπονται από τα ουράνια σώματα και εσχάτως από συστήματα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Δυστυχώς, η απευθείας και επιτόπου μελέτη των ιδιοτήτων των ουρανίων σωμάτων περιορίζεται στους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος χάρις τα ταξίδια μη επανδρωμένων διαστημοπλοίων τα οποία διαρκούν πολλά χρόνια. Αφού λοιπόν δεν πάει ο Μωάμεθ στο βουνό ας έλθει το βουνό στον Μωάμεθ! Θα χρησιμοποιήσουμε την κάμψη που προκαλεί στο φως η διάθλαση, καθώς και άλλα οπτικά φαινόμενα, για να προσομοιώσουμε την επίδραση των ουρανίων σωμάτων στην τροχιά του φωτός. Τα τελευταία χρόνια η μελέτη τέτοιων προβλημάτων βρίσκεται σε άνθηση. Οι πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις της ΓΘΣ, για την μελέτη της επίδρασης των βαρυτικών πεδίων στην τροχιά του φωτός, έχουν κοινή μαθηματική δομή με τις εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση του φωτός μέσα σε οπτικά υλικά. Ένα τέτοιο πρόβλημα, που έχει γίνει προσπάθεια να μελετηθεί σε συστήματα παγιδευμένων ατόμων, είναι η επίδραση που έχει μια μαύρη τρύπα στην τροχιά του φωτός.

    ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΗ

    Με μια πρώτη ματιά η σχέση της ΓΘΣ με την Oπτική μπορεί να φανεί παράδοξη. Αυτό συμβαίνει επειδή έχουμε συνηθίσει να συνδέουμε αυτή τη σπουδαία φυσική θεωρία με προβλήματα βαρύτητας και κοσμολογίας. Η κατάσταση άλλαξε με την έλευση της Οπτικής Μετασχηματισμών (Transformation Optics) (Chen et al, 2010). Αυτό το πεδίο της φυσικής έχει αξιοποιήσει ιδέες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της ΓΘΣ για την κατασκευή αγώγιμων υλικών που είναι μη ανιχνεύσιμα από στατικά ηλεκτρικά πεδία (Greenleaf et al,  2003). Οι ιδέες αυτές άνοιξαν το δρόμο για την κατασκευή αόρατων διατάξεων (Leonhardt, 2006). Όμως η ιστορία αυτή έχει βαθύτερες ρίζες στο χρόνο.

    To 1818 o A.-J. Fresnel διατύπωσε την ορθή άποψη, χρησιμοποιώντας ωστόσο τη θεωρία του αιθέρα, πως ένα κινούμενο μέσο θα παρασύρει μαζί του το φως όπως ο άνεμος τα φύλλα ενός δέντρου (Fresnel, 1818). Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε το 1851 από τον Η. Fizeau (Fizeau, 1851). Τέσσερις δεκαετίες αργότερα, το 1895, ο Η. Α. Lorentz μελέτησε ένα παρόμοιο φαινόμενο, που προέρχεται από την οπτική διασπορά[1] του φωτός (Lorentz, 1895). Οι προβλέψεις του Η. Α. Lorentz επαληθεύτηκαν, στη συνέχεια, πειραματικά από τον P. Zeeman (Zeeman, 1914).  To 1923 o W. Gordon παρατήρησε ότι η κίνηση ισότροπων σωμάτων μέσα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία ισοδυναμεί με κίνηση μέσα σε συγκεκριμένες  χωροχρονικές γεωμετρίες (Gordon, 1923). Ένα χρόνο αργότερα, το 1924, ο Ι. Υ. Tamm, αφού γενίκευσε αυτές τις θεωρίες, τις εφάρμοσε για να μελετήσει την διάδοση του φωτός σε μη επίπεδες γεωμετρίες (Tamm, 1924). Οι E. Bortolotti και S. M. Rytov απέδειξαν ότι αυτές οι γεωμετρίες έχουν μη Ευκλείδιο χαρακτήρα (Rytov, 1938). Το 1960 ο J. Plebanski θεμελείωσε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα μέσα στον καμπύλο χωροχρόνο και το 1961 ο L. S. Dolin δημοσίευσε μια προδρομική εργασία πάνω στην οπτική μετασχηματισμών (Plebanski, 1960; Dolin, 1961). Το 1972 υπήρξε μια κομβική χρονιά καθώς ο W. Unruh, σε ένα σεμινάριο στην Οξφόρδη, επινόησε ένα απλό ανάλογο για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Σε αυτό το θέμα θα αναφερθούμε αναλυτικά στην επόμενη ενότητα. Τέλος, το 1999 αποδείχτηκε πως ένα κινούμενο διηλεκτρικό υλικό δρα στο φως όπως ένα βαρυτικό πεδίο και μάλιστα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί το εν λόγω φαινόμενο για να κατασκευαστούν προσομοιώσεις αστρονομικών φαινομένων σε ένα εργαστήριο φυσικής (Leonhardt, 1999). Αντίστοιχα φαινόμενα εμφανίζονται στη συμπεριφορά των ηχητικών κυμάτων σε κινούμενα ρευστά. Στην περίπτωση αυτή τα ηχητικά κύματα υπόκεινται σε μια χωροχρονική γεωμετρία που εξαρτάται από τη μορφή της ροής και την τοπική ταχύτητα του ήχου (White,  1973; Unruh, 1981).

    ‘Ετος Επίτευγμα
    1818 Ο  A.-J. Fresnel διατύπωσε την ορθή άποψη, χρησιμοποιώντας ωστόσο τη θεωρία του αιθέρα, πως ένα κινούμενο μέσο θα παρασύρει μαζί του το φως όπως ο άνεμος τα φύλλα ενός δέντρου.
    1851 Ο Η. Fizeau παρατηρεί το φαινόμενο που είχε προβλέψει ο Fresnel.
    1895 Ο Η. Α. Lorentz προβλέπει θεωρητικά ένα παρόμοιο φαινόμενο που οφείλεται στη διασπορά του φωτός.
    1915 Ο P. Zeeman επαληθεύει πειραματικά την πρόβλεψη του Lorentz.
    1923 Ο W. Gordon παρατήρησε ότι η κίνηση ισότροπων σωμάτων μέσα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία ισοδυναμεί με κίνηση μέσα σε συγκεκριμένες  χωροχρονικές γεωμετρίες.
    1924 Ο Ι. Υ. Tamm, αφού γενίκευσε αυτές τις θεωρίες, τις εφάρμοσε για να μελετήσει την διάδοση του φωτός σε μη επίπεδες γεωμετρίες.
    1928 & 1936 Οι E. Bortolotti και S. M. Rytov απέδειξαν ότι αυτές οι γεωμετρίες έχουν μη Ευκλείδιο χαρακτήρα
    1960 Ο J. Plebanski θεμελίωσε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα μέσα στον καμπύλο χωροχρόνο και το
    1961 Ο L. S. Dolin δημοσίευσε μια προδρομική εργασία πάνω στην οπτική μετασχηματισμών
    1972 Ο W. Unruh, σε ένα σεμινάριο στην Οξφόρδη, επινόησε ένα απλό ανάλογο για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.
    1999 Αποδείχτηκε από τον U. Leonhardt πως ένα κινούμενο διηλεκτρικό υλικό δρα στο φως ως ένα βαρυτικό πεδίο και μάλιστα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί το εν λόγω φαινόμενο για να κατασκευαστούν προσομοιώσεις αστρονομικών φαινομένων σε ένα εργαστήριο φυσικής

    ΟΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ

    Μια μαύρη τρύπα χαρακτηρίζεται από έναν ορίζοντα γεγονότων. Πρόκειται για μια επιφάνεια όπου κάθε τι εντός της, ακόμη και το φως, δεν μπορεί να διαφύγει εξαιτίας του ισχυρού βαρυτικού πεδίου. Το 1981 ο W. Unruh υπέδειξε για πρώτη φορά μια πολύ απλή αναλογία για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Η πρότασή του άνοιξε στην κυριολεξία το δρόμο για όλες τις μετέπειτα πειραματικές προσπάθειες προσομοίωσης μιας μαύρης τρύπας.

    Η ιδέα έχει ως εξής: φανταστείτε έναν άνθρωπο να κωπηλατεί μια μικρή βάρκα ενάντια στο ρεύμα ενός καταράκτη, που αναπαριστά μια μαύρη τρύπα (Eικ.3). Πέρα από ένα συγκεκριμένο σημείο, κοντά στον καταράκτη, το ρεύμα γίνεται τόσο ισχυρό ώστε ο κωπηλάτης δεν μπορεί να προσδώσει αρκετή ταχύτητα στη βάρκα και να δραπετεύσει από τον καταράκτη. Το σημείο αυτό αντιστοιχεί στον ορίζοντα γεγονότων. Στο ίδιο πνεύμα, στη συνέχεια, ο Unruh θεώρησε την περίπτωση όπου τα κύματα της θάλασσας κατευθύνονται προς το δέλτα ενός ποταμού (Εικ.4). Επειδή, όσο ανεβαίνουμε προς το ποτάμι, το ρεύμα γίνεται πολύ ισχυρό, τα κύματα μπορούν να φτάσουν μέχρι ενός σημείου. Υπό αυτήν την έννοια ο ποταμός είναι μια «λευκή» τρύπα, το αντίθετο μιας μαύρης τρύπας, όπου τίποτα δεν μπορεί να εισέλθει. Η λευκή τρύπα είναι μια υποθετική περιοχή του χωροχρόνου στην οποία δεν μπορεί να εισέλθει τίποτα ενώ μαζικά σωμάτια και φως μπορούν να διαφύγουν.Εικόνα 3: Πέρα από ένα συγκεκριμένο σημείο, κοντά στον καταράκτη, το ρεύμα γίνεται τόσο ισχυρό – όπως ένας ορίζοντας γεγονότων – ώστε ο κωπηλάτης δεν μπορεί να προσδώσει αρκετή ταχύτητα στη βάρκα και να δραπετεύσει από τον καταράκτη. Ο ποταμός συμπεριφέρεται ως μια μαύρη τρύπα.Εικόνα 4: Τα κύματα της θάλασσας κατευθύνονται προς το δέλτα ενός ποταμού και μαζί τους και η βάρκα. Επειδή το ρεύμα γίνεται πολύ ισχυρό όσο ανεβαίνουμε προς το ποτάμι, τα κύματα και η βάρκα μπορούν να φτάσουν μέχρι ενός σημείου. Ο ποταμός συμπεριφέρεται σαν μια λευκή τρύπα.Ακολουθώντας το πνεύμα του παραδείγματος του W. Unruh, ο U. Leonhardt και ο συνεργάτης του P. Piwnicki υπέδειξαν έναν τρόπο να κατασκευαστούν οπτικές μαύρες τρύπες από τις οποίες είναι αδύνατον να ξεφύγει το φως (Leonhardt & Piwnicki, 1999). Αυτές οι διατάξεις, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ερευνητών, θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα πειραματικό πεδίο για την κβαντική βαρύτητα, την προσπάθεια, δηλαδή, να παντρέψουμε την κβαντική μηχανική με την ΓΘΣ. Πρόκειται για ένα πρόβλημα που ταλανίζει την φυσική για δεκαετίες και το οποίο σχετίζεται άμεσα με την μεγάλη ενοποίηση όλων των δυνάμεων της φύσης. Οι μαύρες τρύπες απορροφούν το φως χάρις το πανίσχυρο βαρυτικό τους πεδίο. Σύμφωνα με τη ΓΘΣ, κάθε αντικείμενο με μάζα παραμορφώνει το χωροχρόνο κατά τέτοιο τρόπο, ώστε, κάθε τι που περνά από την γειτονιά του έλκεται προς το κέντρο της παραμόρφωσης, όπως ένα μπαλάκι του γκολφ όταν περνά από το χείλος μιας τρύπας. Το φως είναι η ταχύτερη οντότητα στο σύμπαν με ταχύτητα, στο κενό, ίση περίπου με 300,000 km/s. Συνεπώς, ακόμη και για μια μαύρη τρύπα, η σύλληψή του είναι μια αρκετά δύσκολη υπόθεση. Πως θα μπορούσε να γίνει κάτι τέτοιο στο εργαστήριο; Οι Leonhardt και Piwnicki σκέφθηκαν πως για να μπορέσουμε να συλλάβουμε το φως, θα έπρεπε πρώτα να το φρενάρουμε! Όπως είναι γνωστό, η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή στο κενό αλλά μεταβάλλεται όταν αυτό αναγκαστεί να ταξιδέψει μέσα σε ένα διαφανές υλικό μέσο (π.χ. νερό, γυαλί)[2]. Το 1999 η ομάδα της ερευνήτριας L. Hau, στο Rowland Institute of Science της Μασαχουσέτης και στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, κατόρθωσε να ελαττώσει την ταχύτητα του φωτός στο απίστευτο μέγεθος των 17 m/s. Αυτό έγινε δυνατόν όταν ανάγκασαν το φως να περάσει μέσα από μια ποσότητα από άτομα ρουβιδίου σε αέρια φάση, που είχαν προετοιμαστεί σε μια ειδική κατάσταση από πρόσθετες δέσμες λέιζερ (Hau et al, 1999). Λίγο αργότερα επιτεύχθηκε η επιβράδυνση του φωτός στα 0,5 m/s όταν αυτό πέρασε μέσα από ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (Hau, 2001).

    Πως όμως μπορεί να επιβραδυνθεί το φως σε ένα κβαντικό αέριο; Τη λύση έχει δώσει η κβαντική μηχανική και ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια (electromagnetic induced transparency) (McCall & Hahn, 1969; Kocharovskaya & Khanin, 1986). Στην κβαντομηχανική όταν ένα φαινόμενο μπορεί να γίνει εφικτό μέσω δύο διαφορετικών ενδεχομένων αυτά μπορεί να συμβάλλουν ενισχυτικά ή καταστροφικά με τελικό αποτέλεσμα την μεγιστοποίηση ή το μηδενισμό της πιθανότητας εμφάνισης του φαινομένου αντίστοιχα. Ας δούμε μια τέτοια περίπτωση στο σχήμα της Εικ. 5. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί σε μια ανώτερη ενεργειακή στάθμη |3>  ξεκινώντας από την κατάσταση |1> με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ συχνότητας fp. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να βρεθεί στην κατάσταση |3> ξεκινώντας από μια άλλη κατάσταση |2> με τη βοήθεια μιας ασθενούς δέσμης λέιζερ συχνότητας fc. Η ασθενής αυτή δέσμη χρησιμοποιείται ουσιαστικά ως μια δέσμη ελέγχου. Όπως ήδη αναφέραμε, η κβαντική μηχανική προβλέπει πως τα δύο διαφορετικά ενδεχόμενα μέσω των οποίων μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο στην ανώτερη ενεργειακά κατάσταση μπορεί να συμβάλλουν ενισχυτικά (οπότε μεγιστοποιείται η πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να βρεθεί στην ανώτερη κατάσταση) ή καταστροφικά οπότε η άνοδος του ηλεκτρόνιου μπλοκάρεται και αυτό παραμένει στις χαμηλώτερες καταστάσεις. Ρυθμίζοντας κατά βούληση τη συχνότητα και την ένταση της ασθενούς δέσμης λέιζερ μπορούμε να επιτύχουμε οποιαδήποτε από τις δύο καταστάσεις ή κάποια ενδιάμεση όπου το ηλεκτρόνιο διεγείρεται μερικώς και μπορεί να βρεθεί ταυτόχρονα τόσο στην ανάωτερη κατάσταση όσο και στις δύο χαμηλώτερες (η κβαντική τα επιτρέπει αυτά…).Εικόνα 5: Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί σε μια ανώτερη ενεργειακή στάθμη |3> ξεκινώντας από την κατάσταση |1> με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ συχνότητας fp. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να βρεθεί στην κατάσταση |3> ξεκινώντας από μια άλλη κατάσταση |2> με τη βοήθεια μιας ασθενούς δέσμης λέιζερ συχνότητας fc. Η κβαντική μηχανική προβλέπει πως τα δύο διαφορετικά ενδεχόμενα μέσω των οποίων μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο στην ανώτερη ενεργειακά κατάσταση μπορεί να συμβάλλουν ενισχυτικά (οπότε μεγιστοποιείται η πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να βρεθεί στην ανώτερη κατάσταση) ή καταστροφικά οπότε η άνοδος του ηλεκτρόνιου μπλοκάρεται και αυτή παραμένει στις χαμηλώτερες καταστάσεις. Στη βιβλιογραφία το παραπάνω σχήμα είναι γνωστό ως «σχηματισμός-Λ» (Λ-configuration).Όταν το ηλεκτρόνιο βρεθεί στην ανώτερη κατάσταση έχει απορροφήσει ουσιαστικά ενέργεια από την βασική δέσμη λέιζερ. Άρα η δέσμη αυτή ουσιαστικά συμπεριφέρερται σαν να έχει ταξιδέψει μέσα σε ένα υλικό με κάποιο δείχτη διάθλασης. Όταν το ηλεκτρόνιο εγκλωβίζεται στις χαμηλές καταστάσεις τότε ουσιαστικά δεν μπορεί να απορροφήσει ενέργεια από τη δέσμη λέιζερ η οποία συνεχίζει την πορεία της απρόσκοπτα σαν να ταξιδεύει στο κενό. Το παραπάνω σύστημα είναι στην ουσία ένα υλικό όπου ο δείχτης διάθλασής του, ως προς την κύρια δέσμη, μπορεί να μεταβληθεί κατά βούληση.

    ‘Όπως έχουν υποδείξει οι Leonhardt και Piwnicki, όταν ένα μέσο, όπως ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, που επιβραδύνει το φως μετακινηθεί, τότε μπορεί να παρασύρει το φως μαζί του. Το φως έχοντας να αντιμετωπίσει ένα γρήγορο «άνεμο» προς τα εμπρός, θα υστερήσει και θα μείνει πίσω. Οι δύο επιστήμονες πιστεύουν ότι αν κατασκεύαζαν έναν περιστρεφόμενο στρόβιλο σε ένα μέσο, σαν αυτά που χρησιμοποίησε η Len Hau, αυτός θα “κατάπινε” το φως. Πράγματι, τα πιο συγγενή πράγματα προς τις μαύρες τρύπες που έχουμε στη Γη είναι οι στρόβιλοι. Οι τυφώνες, για παράδειγμα, ρουφούν δέντρα, στέγες και φορτηγά. Η δύναμή τους προέρχεται από την χαμηλή πίεση στο κέντρο του στροβίλου σε σχέση με την πίεση στην περιφέρεια του. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των δύο επιστημόνων ένας στρόβιλος μπορεί να ασκήσει μιαν ανάλογη επίδραση στο φως. Εάν ο στρόβιλος περιστρέφεται πολύ πιο γρήγορα από ότι μπορεί να κινηθεί το φως, κάθε ακτίνα που περνά πολύ κοντά από το κέντρο του θα συλληφθεί και θα συρθεί προς αυτό. To φως, τελικά, θα απορροφηθεί από το στρόβιλο. Οπότε, ακριβώς όπως στην περίπτωση μιας πραγματικής μαύρης τρύπας, ο στρόβιλος έχει έναν ορίζοντα γεγονότων πέρα από τον οποίο η απόδραση του φωτός είναι αδύνατη.

    ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ HAWKING ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

    Ο U. Leonhardt υποστηρίζει πως σε μια οπτική μαύρη τρύπα το φως συμπεριφέρεται σαν να βρίσκεται εντός ενός πολύ ισχυρού βαρυτικού πεδίου. Το φως, όταν βρεθεί μέσα στο περιστρεφόμενο αέριο μιας οπτικής μαύρης τρύπας, κινείται εντός ενός καμπύλου χωροχρόνου και αυτό το γεγονός μπορεί να αξιοποιηθεί για να ελεγχθούν, σε πρώτη φάση, προβλέψεις που αφορούν σε κβαντικά φαινόμενα  που εκδηλώνονται σε ισχυρά βαρυτικά πεδία (Drori et al, 2019). Η πιο διάσημη από αυτές διατυπώθηκε το 1975 όταν ο S. Hawking απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν (Hawking, 1975). Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, σε μια μαύρη τρύπα, ζεύγη στοιχειωδών σωματιδίων αναδύονται από το κενό και στην συνέχεια ανασυνδυάζονται και εξαφανίζονται. Αυτά τα «εν δυνάμει» σωματίδια δεν μπορούν να επιβιώσουν για πολύ χρόνο. Εάν, όμως, το ζεύγος σωματιδίων τύχει να γεννηθεί μόλις πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, η βαρύτητα μπορεί να διαχωρίσει το ζεύγος σωματιδίων. Ένα από τα δύο σωμάτια πέφτει στην τρύπα ενώ το άλλο “κερδίζει” κάποια ενέργεια και διαφεύγει. Αυτά τα διαφυγόντα σωματίδια συνιστούν την περίφημη ακτινοβολία Hawking, η οποία δεν έχει καταγραφεί πειραματικά μέχρι σήμερα σε αστροφυσικό περιβάλλον (Εικ.6).Εικόνα 6: Η γένεση της ακτινοβολίας Hawking. Σε μια μαύρη τρύπα, ζεύγη στοιχειωδών σωματιδίων αναδύονται από το κενό και στην συνέχεια ανασυνδυάζονται και εξαφανίζονται. Εάν το ζεύγος σωματιδίων τύχει να γεννηθεί μόλις πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, η βαρύτητα μπορεί να το διασπάσει. Ένα από τα δύο σωμάτια πέφτει στην τρύπα ενώ το άλλο “κερδίζει” κάποια ενέργεια και διαφεύγει. Αυτά τα διαφυγόντα σωματίδια συνιστούν την περίφημη ακτινοβολία Hawking.Το όλο θέμα έχεις και άλλες, ακόμη πιο εξωτικές, προεκτάσεις. Μια από τις πιο παράδοξες προβλέψεις για τις μαύρες τρύπες είναι η δυνατότητα παραγωγής ακτινοβολίας λέιζερ από αυτές (Corley & Jacobson, 1999). Στην κοσμολογία προβλέπεται πως κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί στην περίπτωση που η μαύρη τρύπα είτε περιστρέφεται είτε φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Μια τέτοια μαύρη τρύπα χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη δύο οριζόντων γεγονότων, έναν εσωτερικό και έναν εξωτερικό, οι οποίοι διαμορφώνουν μια γιγάντια οπτική κοιλότητα (Εικ.7).  Τα φωτόνια που πέφτουν στη μαύρη τρύπα φτάνουν στον εσωτερικό ορίζοντα. O ορίζοντας αυτός είναι ένας ορίζοντας μιας λευκής τρύπας που ανακλά τα πάντα προς τον εξωτερικό ορίζοντα γεγονότων. Αυτές οι ανακλάσεις οδηγούν στο σχηματισμό ενός στάσιμου κύματος. Κατά τη διάρκεια αυτών των ανακλάσεων η ενέργειά των φωτονίων ελλατώνεται καθώς ένα μέρος αυτής θα εκπέμπεται εκτός του ορίζοντα γεγονότων, με τη μορφή φωτός, σε μια κοινή συχνότητα και με συνεχώς αυξανόμενη ένταση, σχηματίζοντας μια δέσμη λέιζερ. Είναι ενδιαφέρον πως η ενίσχυση αφορά όχι μόνο φωτόνια αλλά εν γένει κάθε μποζονικό σωματίδιο ενώ στην περίπτωση φερμιονίων το φαινόμενο αντιστρέφεται και έχουμε εξασθένηση της ακτινοβολίας Hawking.Εικόνα 7: Μια μαύρη με δύο οριζόντες γεγονότων, έναν εσωτερικό και έναν εξωτερικό, οι οποίοι διαμορφώνουν μια γιγάντια οπτική κοιλότητα. Τα φωτόνια που πέφτουν στη μαύρη τρύπα φτάνοντας στον εσωτερικό ορίζοντα ανακλώνται προς τον εξωτερικό ορίζοντα γεγονότων. Αυτές οι ανακλάσεις οδηγούν στο σχηματισμό ενός στάσιμου κύματος. Κατά τη διάρκεια αυτών των ανακλάσεων η ενέργειά των φωτονίων ελλατώνεται καθώς ένα μέρος αυτής θα εκπέμπεται εκτός του ορίζοντα γεγονότων, με τη μορφή φωτός, σε μια κοινή συχνότητα και με συνεχώς αυξανόμενη ένταση, σχηματίζοντας μια δέσμη λέιζερ.Η προσομοίωση αυτού του φαινόμενου έχει γίνει με τη βοήθεια ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein από τον J. Steinhauer στο Πολυτεχνείο Technion στο Ισραήλ και θα μπορούσε να προσφέρει ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία για την ύπαρξη της ακτινοβολίας Hawking (Steinhauer, 2014). Το σύστημα λειτούργησε για την ενίσχυση ηχητικών κυμάτων και όχι φωτός και παρόλο που δεν συνιστά μια πραγματική βαρυτική μαύρη τρύπα, το πείραμα, εντούτοις, παρείχε ισχυρές ενδείξεις πως ο μηχανισμός Hawking λειτουργεί, ενδεικτικό του είδους των πληροφοριών που μπορεί να αποκομίσει κανείς από μικρής κλίμακας προσομειώσεις βαρυτικών φαινομένων χρησιμοποιώντας μεθόδους της οπτικής ή της ακουστο-οπτικής. Αξίζει να σημειωθεί πως πρόσφατα ένας ερευνητής, ο H. Katayama, κατόρθωσε να προσομοιώσει αυτό το φαινόμενο με τη βοήθεια ενός σολιτονίου (soliton) που αναπτύχθηκε σε ένα υπεραγώγιμο ηλεκτρικό κύκλωμα (Katayama, 2021).

    ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

    Ιδιαίτερα εντυπωσιακό είναι το γεγονός πως τα κβαντικά αέρια μπορούν να αξιοποιηθούν ως πλατφόρμες προσομοίωσης φαινομένων κοσμικής κλίμακας όπως η ίδια η δημιουργία του Σύμπαντος. Δεδομένου ότι κάθε φορά που οι επιστήμονες παρατηρούν τον ουρανό βλέπουν πίσω στο παρελθόν αναρωτιέται κάποιος γιατί χρειάζεται να καταφύγουμε σε προσομοιώσεις για τη διερεύνηση κοσμολογικών φαινομένων. Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός πως υπάρχει ένα όριο στο παρελθόν πέρα από το οποίο δεν μπορούμε να διεισδύσουμε. Σύμφωνα με την εκδοχή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory) οι πρώτες «στιγμές» (κάπου 380.000 χρόνια!) μετά την έκρηξη, που είναι στην κυριολεξία πολύ κρίσιμες για την μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος, καλύπτονται από ένα πέπλο μυστηρίου. Κατά την περίοδο αυτή ο συμπαντικός χώρος εικάζεται πως ήταν γεμάτος από πυκνό πλάσμα το οποίο είναι μη διαπερατό στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με αποτέλεσμα αυτή να μην κατορθώσει να ταξιδέψει στο χωροχρόνο και να φτάσει σήμερα στα όργανα παρατήρησης που διαθέτουμε. Μια προσπάθεια να φωτιστεί αυτή η αρχική περίοδος έχει γίνει στα πλαίσια της Θεωρίας του Πληθωρισμού (Inflation Theory), η οποία προτείνει ότι ο χώρος στην αρχή επεκτάθηκε ταχύτατα (σε χρόνο 10-30 s το μέγεθος του Σύμπαντος διπλασιάστηκε εκατό φορές!) για να ακολουθήσει μια δραματική επιβράδυνση. Αλλά δεν είναι γνωστό με βεβαιότητα εάν η θεωρία είναι σωστή, και ακόμα κι αν είναι, πολλές λεπτομέρειες μένουν να διερευνηθούν. Οι κοσμολόγοι δεν μπορούν να ταξιδέψουν, μέσω παρατηρήσεων, τόσο πίσω στο χρόνο ώστε έχουν μια εικόνα του τι συνέβη κατά την εποχή του πληθωρισμού. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να καταφύγουμε στην προσομοίωση του φαινομένου και εδώ τα κβαντικά αέρια έχουν αφήσει πολλές υποσχέσεις.

    Πριν λίγα χρόνια η ερευνητική ομάδα του G. Campbell, στο Πανεπιστήμιο του Maryland στις ΗΠΑ, έδειξε πως η ταχύτατη διαστολή ενός παγιδευμένου συμπυκνώματος Bose-Einstein παρουσιάζει παρόμοια χαρακτηριστικά με ένα διαστελλόμενο σύμπαν (Eckel, 2018). Η ομάδα αυτή κατόρθωσε να παγιδεύσει ένα τέτοιο συμπύκνωμα από εκατοντάδες άτομα σε μια δαχτυλιοειδή παγίδα της οποίας η ακτίνα τετραπλασιάστηκε μέσα σε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν μια αξιοσημείωτη αναλογία ανάμεσα στη δυναμική του διαστελλόμενου συμπυκνώματος και αυτήν ενός διαστελλόμενου σύμπαντος.

    Μόλις το 2022 η ερευνητική ομάδα του M. Oberthaller, στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, έκανε ένα σημαντικό βήμα στην προσομοίωση της διαστολής του Σύμπαντος κατασκευάζοντας μια πειραματική πλατφόρμα στην οποία μπορεί να διερευνηθεί αυτή η κατάσταση, σε ένα κβαντικό αέριο από άτομα καλίου το οποίο προσομοίωνε το σύμπαν. Η πυκνότητα του, μάλιστα, σχετίζεται με την καμπυλότητα του σύμπαντος. Το νέο ποιοτικό στοιχείο που έφερε αυτό το πείραμα ήταν πως αντί οι ερευνητές να αφήσουν το κβαντικό αέριο να διασταλεί στο χώρο και το χρόνο προσομοίωσαν μια κατάσταση διαστολής ενώ τα άτομα παρέμεναν στη θέση τους. Πως έγινε κάτι τέτοιο εφικτό; Με μια απλή σκέψη: τα μέρη ενός συστήματος που διαστέλλεται αλληλεπιδρούν με δυνάμεις που διαρκώς εξασθενούν. Αν σε ένα κβαντικό αέριο εφαρμόσουμε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο του οποίου μεταβάλουμε την ένταση μπορούμε να ελαττώνουμε κατά βούληση τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων του αερίου και έτσι να προσομοιώσουμε μια κατάσταση διαστολής (Viermann et al, 2022). Για να επιτευχθεί πειραματικά αυτή η κατάσταση οι ερευνητές αξιοποίησαν ένα φαινόμενο της ατομικής φυσικής γνωστό ως συντονισμός Feshbach (Feshbach resonance). Τα αποτελέσματα του πειράματος αυτού είναι πάρα πολύ ενθαρρυντικά καθώς επιβεβαίωσαν μια σημαντική ιδιότητα που έχει ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Πράγματι, μια απλή πρόβλεψη της κβαντικής θεωρίας πεδίου είναι πως σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν οι κβαντικές διακυμάνσεις οδηγούν στο σχηματισμό ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων. Κάτι τέτοιο είναι αδύνατο σε ένα στατικό σύμπαν. Σε ένα διαστελλόμενο κβαντικό αέριο τα αντίστοιχα σωματίδια θα ήταν φωνόνια και αυτό ήταν ακριβώς που παρατήρησαν ο Oberthaller και οι συνεργάτες του. Οι τροχιές τους μάλιστα καθορίζονται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου μέσα στον οποίο κινούνται. Μελετώντας αυτές τις τροχιές οι ερευνητές ήταν σε θέση να επιβεβαιώσουν ότι το προσομοιούμενο σύμπαν είχε την επιθυμητή καμπυλότητα. Παράλληλα οι ερευνητές προχώρησαν και σε προσομοίωση διαφορετικών τύπων διαστολής, με σταθερό, με επιβραδυνόμενο και με επιταχυνόμενο ρυθμό αντίστοιχα. Και στις τρεις περιπτώσεις μετά το πέρας της διαστολής το κβαντικό αέριο είχε κυριευθεί από ακουστικά κύματα παρόμοια με αυτά που κυριαρχούσαν στο Σύμπαν την εποχή του πλάσματος. Οι επιστήμονες πλέον έχουν θέσει επί τάπητος το φιλόδοξο σχέδιο να χρησιμοποιήσουν αυτού του είδους τις προσομοιώσεις ώστε να διερευνήσουν τη δυναμική του Σύμπαντος πριν την εποχή του πληθωρισμού.

    Τέλος αξίζει να αναφέρουμε και την αξιοποίηση των οπτικών κρυστάλλων ατόμων σε προσομοιώσεις της μεταβολής της κβαντικής φάσης που εικάζεται πως συνέβη στα πρώτα στάδια του σύμπαντος. Η πιο πρόσφατη προσπάθεια σε αυτή την κατεύθυνση έγινε από τον Bo Song και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Cambridge οι οποίοι αξιοποίησαν παγιδευμένα άτομα σε οπτικά πλέγματα και παρατήρησαν για πρώτη φορά ασυνεχείς μεταβάσεις από καταστάσεις μονωτή Mott σε μια υπερρευστη κατάσταση υψηλότερης ενέργειας στην οποία τα άτομα μπορούν να μετακινηθούν ελεύθερα μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών μέσα στο πλέγμα (Song et al, 2022). Οι ασυνεχείς μεταβάσεις φάσεως έχουν σχέση με τις μεταβολές φάσεως στην αρχή δημιουργίας του Σύμπαντος. Στο εν λόγω πείραμα επιτεύχθηκαν με διαταραχή του οπτικού κρύσταλλου.

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

    Τα κβαντικά αέρια φαίνεται να αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα προσομοίωσης κοσμολογικών φαινομένων μεγάλης κλίμακας. Με τη βοήθειά τους οι ερευνητές προσπαθούν να ρίξουν φως σε δυσεπίλυτα ερωτήματα που αφορούν στη δυναμική αυτών των φαινομένων. Αρκετοί από αυτούς θεωρούν πως όλη αυτή η ερευνητική προσπάθεια μπορεί να συμβάλλει καθοριστικά σε έναν άλλο, διακαή, πόθο της φυσικής: την ενοποίηση της κβαντομηχανικής με τη βαρύτητα. Εν κατακλείδι, θα πρέπει να σημειωθεί πως τα κβαντικά αέρια δεν συνιστούν τα μόνα φυσικά συστήματα στα οποία επιχειρούνται προσομοιώσεις κοσμολογικών φαινομένων (Novello et al, 2002).

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε τον Απόστολο Κυριαζή για την ευγενική παραχώρηση της κεντρικής φωτογραφίας του άρθρου. Οι Εικόνες 3 και 4 αποτελούν καλλιτεχνική προσαρμογή εικόνων από το σύνδεσμο από το άρθρο https://skullsinthestars.com/2008/03/12/making-optical-blackholes-in-a-laboratory/. Η προσαρμογή έγινε από τον ζωγράφο Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλος του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας) για την έκδοση του βιβλίου Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics, (Lembessis, 2020).[1] Δηλαδή την εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από τη συχνότητα του φωτός.

    [2] Στο νερό για παράδειγμα η ταχύτητά του είναι 225,000 km/s.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Chen, Η., Chan, C., T., and P. Sheng, 2010. Transformation optics and metamaterials. Nature Materials 9, 387-396. DOI: 10.1038/nmat2743

    Corley, S., and Jacobson, T., 1999. Black hole lasers. Phys. Rev. D. 124011. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.59.124011

    Dolin, L., S., 1961. To the possibility of comparison of three-dimensional electromagnetic systems with nonuniform anisotropic filling. Izvestiya Vuzov. Radiophizika 4, 964-967. https://www.math.utah.edu/~milton/DolinTrans2.pdf

    Drori, J., Rosenberg, Y., Bermudez, D.,  Silberberg, Y., and Leonhardt, U., 2019. Observation of Stimulated Hawking Radiation in an Optical Analogue. Phys. Rev. Lett. 122, 010404. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.010404

    Eckel, S., Kumar, A., Jacobson, T., Spielman, I., B., and Campbell, G., K., 2018. A Rapidly Expanding Bose-Einstein Condensate: An Expanding Universe in the Lab. Phys. Rev. X 8, 021021. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021021

    Euvé, L.-P., Michel, F., Parentani, R., Philbin, T., G., and Rousseaux, G., 2016. Observation of Noise Correlated by the Hawking Effect in a Water Tank. Phys. Rev. Lett. 117, 121301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.121301

    Greenleaf, A., Lassas, M., and Uhlmann, G., 2003. Anisotropic conductivities that cannot be detected by EIT. Physiol. Meas. 24, 413-419. DOI: 10.1088/0967-3334/24/2/353

    H. Fizeau, H., 1851. Sur les hypotheses relatives a l’ether lumineux, et sur une experience qui parait demontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumiere se propage dans leur interieur. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 33, 349-355. https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fizeau/Fizeau_pdf/CR1851_p349.pdf

    Fresnel, A., J., 1818. Lettre de M. Fresnel à M. Arago, sur l’ influence du movement terrestre dans quelques phénomènes d’ optique. Ann. Chim. Phys. 8, 57-66.

    Gordon, W., 1923. Zur Lichtfortpflanzung nach der Relativitätstheorie,” (For the propagation of light according to the Theory of Relativity). Ann. Phys. (Leipzig) 72, 421-456. http://www.neo-classical-physics.info/uploads/3/4/3/6/34363841/gordon_-_optical_metrics.pdf

    Hau, L., V., Harris, S., E., Dutton, Z., and Behroozi, C., H., 1999. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594-598. https://doi.org/10.1038/17561

    Hau, L., V., 2001. Frozen Light. Scientific American, July Issue, 44-51. https://www.scientificamerican.com/article/frozen-light/

    Hawking, S., W., 1975. Particle creation by black holes. Commun.Math.Phys. 43, 199-220. https://doi.org/10.1007/BF02345020

    Katayama, H., 2021. Quantum-circuit black hole lasers. Scientific Reports, 11, 19137. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98456-0

    Kocharovskaya, O., Khanin, Ya., I., 1986. Sov. Phys. JETP, 63, 945. http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_063_05_0945.pdf

    Lembessis, V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1

    Leonhardt, U., and Piwnicki, P., 1999. Relativistic Effects of Light in Moving Media with Extremely Low Group Velocity. Phys. Rev. Lett. 84, 822-825. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.822

    Leonhardt, U., and Philbin, T., G., 2006. General relativity in electrical engineering. New J. Phys. 8, 247-266. https://doi.org/10.1088/1367-2630/8/10/247

    Leonhardt, U., and Philbin, T., 2010. GEOMETRY AND LIGHT: THE SCIENCE OF INVISIBILITY. New York: Dover. https://store.doverpublications.com/0486476936.html

    Lorentz, H., A., 1895. Versuch einer Theorie der elektrischen und 
optischen Erscheinungen von bewegten Körpern (Attempt of a Theory of Electrical and Optical Phenomena
    in Moving Bodies). Leiden: Brill (1895), p.31. https://en.wikisource.org/wiki/Translation:Attempt_of_a_Theory_of_Electrical_and_Optical_Phenomena_in_Moving_Bodies

    McCall, S., L., and Hahn, E., L., 1969. Self-Induced Transparency. Phys. Rev. 183, 457. https://doi.org/10.1103/PhysRev.183.457

    Muñoz de Nova, J., R., Golubkov, K., Kolobov, V., I., and Steinhauer, J., 2019. Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole. Nature 569, 688–691. DOI: 10.1038/s41586-019-1241-0

    Novello, M., Visser, M., Volovik, G., 2002. Artificial Black Holes. Singapore: World Scientific Publishing. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/4861#t=aboutBook

    Plebanski, J., 1960.  Electromagnetic Waves in Gravitational Fields. Phys. Rev. 118, 1396-1408. https://doi.org/10.1103/PhysRev.118.1396

    Rytov, S., M., 1938. On the transition between wave and geometric optics. Compt. Rend. (Doklady) Acad. Sci. USSR 18, 263-266.

    Song, B., Dutta, S., Bhave, S., Yu, Jr.-C., Carter, E., Cooper., N., and Schneider, U., 2022. Realizing discontinuous quantum phase transitions in a strongly correlated driven optical lattice. Nature Physics, 259-264. https://doi.org/10.1038/s41567-021-01476-w

    Steinhauer, J., 2014. Observation of self-amplifying Hawking radiation in an analogue black-hole laser. Nature Physics 10, 864-869. https://doi.org/10.1038/nphys3104

    Tamm, I., Y., 1924. The electrodynamics of anisotropic media in the special theory of relativity. J. Russ. Phys.-Chem. Soc. 56, 2-3, 248-262. http://neo-classical-physics.info/uploads/3/4/3/6/34363841/tamm_-_ed_of_anisotropic_media_1924.pdf

    Unruh, W., G., 1981. Experimental Black-Hole Evaporation? Phys. Rev. Lett. 46, 1351-1353. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.46.1351

    Viermann, C., Sparn, M., Liebster, N., Hans, M., Kath, E., Parra-López, A., Tolosa-Simeón, M., Sánchez-Kunz, N., Haas, T., Strobel, H., Floerchinger, S., and Oberthaler, M., K., 2022. Nature 611, 260-264. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05313-9

    White, R., 1973. Acoustic ray tracing in moving inhomogeneous fluids. J. Acoust. Soc. Amer. 53, 1700-1704. https://doi.org/10.1121/1.1913522

    Zeeman, P., 1914. Fresnel’s coefficient for light of different colours,” Proc. R. Acad. Amsterdam 17, 445-451. https://dwc.knaw.nl/DL/publications/PU00012688.pdf