Το σύμπαν μας έχει κρυφές διαστάσεις, ισχυρίζονται οι επιστήμονες – και είναι αρκετά κοντά για να αγγίξουμε

Εδώ είναι τι θα μάθετε όταν διαβάσετε αυτήν την ιστορία

• Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι υπάρχουν περισσότερες διαστάσεις στο σύμπαν μας, αλλά οι περιορισμένες αισθήσεις μας μας εμποδίζουν να τις παρατηρήσουμε.
• Αυτό σημαίνει επίσης ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν κρυφές καμπυλότητες χωροχρόνου ή βαρυτικών πεδίων, που θα μπορούσαν να εξηγήσουν ένα θεμελιώδες ζήτημα στη φυσική: το πρόβλημα της ιεραρχίας.
• Υπάρχουν πολλά συνεχιζόμενα πειράματα που αναζητούν στοιχεία που θα μπορούσαν να αποδείξουν τη σωστή αυτή θεωρία – και, εάν ισχύει, μπορεί να βοηθήσουν στην εξήγηση της φύσης του σύμπαντος μας.

Ενώ οι άνθρωποι τείνουν Για να ζούμε σε τρεις διαστάσεις (συν τον χρόνο, που συχνά θεωρείται τέταρτη διάσταση), πολλοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι το σύμπαν μας έχει πολύ περισσότερα επίπεδα ύπαρξης. Για να καταλάβετε πώς μπορεί να λειτουργήσει αυτή η συγκλονιστική ιδέα, φανταστείτε ότι είστε η Άλις, η εξαιρετικά περίεργη και δύσπιστη πρωταγωνίστρια από το παιδικό βιβλίο του Λιούις Κάρολ του 1865. Οι περιπέτειες της Αλίκης στη χώρα των θαυμάτων.

Η Αλίκη πίνει περίφημα φίλτρα που την κάνουν να μεγαλώνει ή να συρρικνώνεται. Αλλά σε αυτό που είναι γνωστό ως «μοντέλο του βρανικού κόσμου», το οποίο εξηγεί τις πρόσθετες διαστάσεις ως προς τη στρεβλή γεωμετρία» το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να αρχίσετε να περπατάτε, για να αλλάξετε μέγεθος όπως θα έκανε η Αλίκη. Μετακινηθείτε στη μία πλευρά ενός δωματίου και πέσετε στην οροφή. Μετακινηθείτε στην απέναντι γωνία και μικρύνετε στο μέγεθος ενός μυρμηγκιού.

Ενώ δεν ζούμε σε μια φανταστική χώρα όπου αλλάζουμε σε μέγεθος ενώ περπατάμε από δωμάτιο σε δωμάτιο, το πείραμα σκέψης εξακολουθεί να έχει κάποιες εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο. Το μοντέλο braneworld προτείνει ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν άλλες διαστάσεις στο σύμπαν μας – απλώς δεν μπορούμε να τις δούμε λόγω των περιορισμών των αισθήσεών μας. Η θεωρία θα μπορούσε επίσης να υπονοεί ότι το σύμπαν μας είναι ασύγκριτα κοντά σε άλλους κόσμους, αλλά ούτε εμείς μπορούμε να τους δούμε ακόμη.

Αλλά τι σημαίνει αυτό – και πώς συμβαίνει ρεαλιστικά εκτός της Χώρας των Θαυμάτων; Για να το αναλύσουμε, Δημοφιλής Μηχανική μίλησε με τον Raman Sundrum, PhD, διακεκριμένο καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Maryland. Είναι συν-συγγραφέας του Μοντέλο Randall-Sundrum του braneworld μαζί με την καθηγήτρια επιστήμης του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ Lisa Randall, PhD.

«Μπήκαμε σε αυτό, εν μέρει επειδή στη δεκαετία του 1990 παρακολουθούσαμε τις εξελίξεις στη θεωρία χορδών», λέει ο Sundrum για το braneworld. Με απλά λόγια, αν και η φυσική δεν είναι απλή, η θεωρία χορδών είναι η αντίληψη ότι τα θεμελιώδη σωματίδια, τα μικρότερα δυνατά δομικά στοιχεία στο σύμπαν μας, είναι δονούμενα κομμάτια χορδής. Η θεωρία χορδών μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να προσπαθήσει να εξηγήσει την κβαντική βαρύτητα, η οποία επιχειρεί να ενώσει τη γενική σχετικότητα με την κβαντική μηχανική.

Σύμφωνα με τον Sundrum, η θεωρία χορδών φαινόταν να απαιτεί επιπλέον διαστάσεις από αυτές που χρησιμοποιούμε για να εξηγήσουμε την καθημερινή ζωή. «Σκεφτήκαμε την ιδέα ότι εμείς, τα σωματίδια από τα οποία είμαστε όλοι φτιαγμένοι και όλα τα άτομά μας είναι κολλημένα σε ένα τρισδιάστατο επίπεδο σε μεγαλύτερο όγκο», λέει ο Sundrum.

“[As to] γιατί δεν βλέπουμε αυτόν τον όγκο υψηλότερων διαστάσεων, είναι επειδή ακόμη και φωτόνια φωτός είναι κολλημένα σε αυτήν την επιφάνεια. Έτσι αρχίσαμε να παίζουμε με ό,τι επέτρεπαν αυτές οι δυνατότητες, και το κεντρικό στοιχείο της ανακάλυψής μας – ήταν ότι όταν έχετε κρυφές διαστάσεις, μπορείτε να έχετε κρυφές μορφές χωροχρονικής καμπυλότητας ή βαρυτικών πεδίων, αλλά είναι κρυμμένες – στον ίδιο βαθμό που κρύβονται οι επιπλέον διαστάσεις. κρυμμένα σύμπαντα κοντά στη δική μας, αν και αυτή η θεωρία δεν είναι slam-dunk.)

Αλλά επιστρέφοντας στην κρυφή καμπυλότητα του χωροχρόνου, συνεχίζει ο Sundrum, αυτή η δομή θα μπορούσε, για παράδειγμα, να βοηθήσει τους επιστήμονες να προσεγγίσουν το λεγόμενο «πρόβλημα ιεραρχίας» – που μερικές φορές εκφράζεται ως διαφορές στο μέγεθος μεταξύ διαφορετικών θεμελιωδών σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ, ή τα δομικά στοιχεία πρωτονίων και νεουτ.

Μπορούμε ίσως να εξηγήσουμε το ζήτημα της ιεραρχίας μέσω μιας μορφής καμπυλότητας υψηλότερης διάστασης, που ονομάζεται στρέβλωση, όπου έρχεται το πείραμα σκέψης της Αλίκης. «Μπαίνεις σε ένα δωμάτιο και κοιτάς γύρω σου και φαίνεται τέλεια [like] το κλασικό ορθογώνιο σχήμα», λέει ο Sundrum, αλλά περπατώντας στη μία άκρη χτυπά το κεφάλι σου στο ταβάνι και στην άλλη άκρη, βρίσκεσαι συρρικνωμένος στο μέγεθος ενός μυρμηγκιού.

«Αυτή είναι η αίσθηση του να βρίσκεσαι σε καμπύλο χώρο», προσθέτει. Σχετικά με το γιατί είναι σημαντικό για τον κόσμο του braneworld, εξηγεί ότι το πείραμα σκέψης δείχνει πώς το φαινομενικό μέγεθος (ή η κλίμακα μήκους) σας ποικίλλει καθώς μετακινείστε στο δωμάτιο.

Τώρα πάρτε το ίδιο πείραμα σκέψης, αλλά αντικαταστήστε έναν άνθρωπο με ένα θεμελιώδες σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο. Γνωρίζουμε ήδη ότι υπάρχει ένα πρόβλημα ιεραρχίας, με διαφορετικά θεμελιώδη σωματίδια να έχουν δραστικά διαφορετικά μεγέθη, οπότε ίσως αυτή η στρέβλωση των θέσεων στον εξωδιάστατο χώρο είναι ένας τρόπος επίλυσης του ζητήματος.

Πολλοί άλλοι ερευνητές έχουν συνεισφέρει τις δικές τους απόψεις από τότε που εμφανίστηκε η θεωρία Randall-Sundrum το 1999. Αλλά υπάρχει ένα τρίψιμο: οι επιστήμονες δεν έχουν βρει ακόμη τη στρέβλωση ή αυτή την αόρατη καμπύλη που κάνει την Αλίκη να μεγαλώνει και να συρρικνώνεται.

Ο η θεωρία της παραμόρφωσης προτείνει ότι υπάρχουν βαρύτερες εκδόσεις τυπικών σωματιδίων που εμφανίζονται σε υψηλότερες ενέργειες σε αυτές τις επιπλέον διαστάσεις, αλλά κανείς δεν έχει εντοπίσει ακόμη αυτούς τους τύπους σωματιδίων. Φυσικά, υπάρχουν συνεχείς αναζητήσεις. Κοντά στη Γενεύη, στην Ελβετία, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων – ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο, που ωθεί πρωτόνια και ιόντα με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός – και άλλα παρόμοια πειράματα δεν έχουν βρει ακόμη τα σωματίδια που εμπλέκονται υποθετικά. Θα μπορούσε να χρειάζονται νέοι επιταχυντές για να αναζητηθούν αυτά τα σωματίδια υψηλότερης συχνότητας ή υψηλότερης ενέργειας, υποθέτοντας ότι η θεωρία δεν είναι εξαρχής λάθος.

Ο Sundrum λέει ότι μια άλλη λύση θα μπορούσε να είναι η μελέτη των βαρυτικών κυμάτων, τα οποία είναι κυματισμοί του χωροχρόνου. Ίσως θα μπορούσαμε να δούμε μια βασική μεταβατική στιγμή στο πρώιμο σύμπαν που σχετίζεται με τον braneworld, για παράδειγμα. Δείτε πώς θα λειτουργούσε αυτό:

Ο Sundrum εξηγεί ότι, σε κάποιο σημείο νωρίς στην κοσμική μας ιστορία, θα υπήρχε ένα είδος μαύρης τρύπας που ονομάζεται “μαύρη βράνη”, αλλά κάποια στιγμή αυτή η μαύρη πέτρα θα είχε εξαφανιστεί.

«Υπάρχει μια μετάβαση, μια «κα-κομματική στιγμή», στο πολύ πρώιμο σύμπαν πολύ κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη, όπου θα είχε γίνει αυτή η ξαφνική μετάβαση και θα είχατε φυσαλίδες ενός τύπου φάσης βυθισμένες από τον άλλο», λέει ο Sundrum. «Πρόκειται για κλασικές και πολύ ισχυρές πηγές βαρυτικών κυμάτων, όχι του είδους που βλέπουμε αυτή τη στιγμή μεταξύ, για παράδειγμα, συγκρουόμενων μαύρων τρυπών – αλλά μεταξύ των συγκρουόμενων φυσαλίδων των διαφορετικών φάσεων στο πρώιμο σύμπαν».

Αυτή η μετάβαση φάσης θα είχε λάβει χώρα προς όλες τις κατευθύνσεις, οπότε θεωρητικά θα πρέπει να μπορούμε να δούμε αυτά τα βαρυτικά κύματα στο παρασκήνιο, όπως ακριβώς το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων ή την υπολειπόμενη ακτινοβολία από όταν το φως μπορούσε να ταξιδέψει για πρώτη φορά στο σύμπαν μας. Ωστόσο, δεν έχουμε βρει ακόμα αυτή τη μετάβαση φάσης. Αλλά ο Sundrum σημειώνει ότι θα μπορούσαμε να πλησιάζουμε σε μια λύση. Ένας ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων που ονομάζεται LISA – η διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ – αναμένεται να εκτοξευθεί το 2035 και μπορεί να έχει την ικανότητα να αναζητήσει αυτές τις μεταβάσεις φάσης.

Η έλλειψη παρατηρητικών αποδεικτικών στοιχείων μπορεί να υποδηλώνει, τελικά, ότι η θεωρία Randall-Sundrum και ο braneworld είναι ο λάθος τρόπος για να περιγράψουμε το θεμελιώδες σύμπαν. Αλλά ο Sundrum λέει ότι οποιαδήποτε «ανταφηγήσεις» θα πρέπει να λύσει το πρόβλημα της ιεραρχίας «την ασυμφωνία μεταξύ των μετρήσεων των θεμελιωδών σωματιδίων» που μαθηματικά παραμένει δύσκολο να αποδειχθεί εκτός της θεωρίας του.

Λέει ότι υπήρξαν κάποιες κριτικές από ειδικούς της κβαντικής βαρύτητας σε πτυχές όπως το συγκεκριμένο είδος πρόσθετων διαστάσεων που χρειάζονται. Από μαθηματική άποψη, ωστόσο, ο Sundrum λέει ότι ο braneworld φαίνεται να έχει νόημα. Τούτου λεχθέντος, το πραγματικό ερώτημα είναι «αν η φύση επιλέγει να το χρησιμοποιήσει ή κάτι άλλο, ή [if] υπάρχει μια εντελώς διαφορετική αναπλαισίωση του προβλήματος της ιεραρχίας.â€

Εάν το σύμπαν «διαλέξει» τον κόσμο του ιστού, θα μπορούσε να σημαίνει ότι οι αισθήσεις σας (που αντιλαμβάνονται λιγότερες διαστάσεις) σας εμποδίζουν να βιώσετε τον πλήρη αριθμό των διαστάσεων που σας περιβάλλουν. Αυτό θα μπορούσε ακόμη και να υποδηλώνει ότι βρίσκεστε μικροσκοπικά κοντά σε άλλα σύμπαντα αυτή τη στιγμή, αλλά απλά δεν έχετε τρόπο να τα δείτε ακόμα.

Κατεβάστε το Pop Mech Digital Issues

Η Elizabeth Howell (Ph.D., αυτή/η) είναι μία από τις λίγες διαστημικές δημοσιογράφους στον Καναδά. Έχει γράψει πέντε βιβλία και ήταν πρώην επιτελική ρεπόρτερ του Space.com στις διαστημικές πτήσεις. Ως ελεύθερος επαγγελματίας, έχει γράψει ή επιμεληθεί άρθρα σχετικά με την αστρονομία και την εξερεύνηση του διαστήματος για καταστήματα όπως Payload Space, Air&Space Magazine, Sky & Telescope και Salon. Η Ελίζαμπεθ είναι κάτοχος πανεπιστημιακών πτυχίων στη δημοσιογραφία, την επιστήμη και την ιστορία και επίσης διδάσκει ένα μάθημα αστρονομίας, με περιεχόμενο ιθαγενών, στο κολλέγιο Algonquin του Καναδά. Εκτός από την παρακολούθηση πολλών αποστολών αστροναυτών από τη Φλόριντα και το Καζακστάν, η Ελισάβετ ζούσε κάποτε σαν αστροναύτης στον ερευνητικό σταθμό Mars Desert της Mars Society στη Γιούτα.