Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να είναι ασύμβατη με τη θεωρία χορδών

Στις 25 Ιουνίου, ο Timm Wrase ξύπνησε στη Βιέννη και περιηγήθηκε με κύλιση σε ένα διαδικτυακό αποθετήριο με πρόσφατα δημοσιευμένα έγγραφα φυσικής. Ένας τίτλος τον ξάφνιασε σε πλήρη συνείδηση.

Το έγγραφο, του εξέχοντος θεωρητικού χορδών Cumrun Vafa του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και των συνεργατών του, υπέθεσε έναν απλό τύπο που υπαγορεύει ποια είδη σύμπαντων επιτρέπεται να υπάρχουν και ποια απαγορεύονται, σύμφωνα με τη θεωρία χορδών. Ο κορυφαίος υποψήφιος για μια «θεωρία των πάντων» που πλέκει τη δύναμη της βαρύτητας μαζί με την κβαντική φυσική, η θεωρία χορδών ορίζει όλη την ύλη και τις δυνάμεις ως δονήσεις μικροσκοπικών κλώνων ενέργειας. Η θεωρία επιτρέπει περίπου 10 διαφορετικές λύσεις:ένα τεράστιο, ποικίλο «τοπίο» πιθανών συμπάντων. Οι θεωρητικοί των χορδών όπως ο Wrase και ο Vafa προσπαθούν εδώ και χρόνια να τοποθετήσουν το δικό μας σύμπαν κάπου σε αυτό το τοπίο πιθανοτήτων.

Αλλά τώρα, ο Βάφα και οι συνάδελφοί του υπέθεταν ότι στο τοπίο των χορδών, σύμπαντα σαν το δικό μας - ή αυτό που πιστεύεται ότι είναι το δικό μας - δεν υπάρχουν. Εάν η εικασία είναι σωστή, ο Wrase και άλλοι θεωρητικοί χορδών συνειδητοποίησαν αμέσως, ο κόσμος πρέπει είτε να είναι βαθιά διαφορετικός από ό,τι υποτίθεται προηγουμένως είτε η θεωρία χορδών πρέπει να είναι λανθασμένη.

Αφού άφησε το νηπιαγωγείο του εκείνο το πρωί, ο Wrase πήγε να δουλέψει στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, όπου και οι συνάδελφοί του βούιζαν για την εφημερίδα. Την ίδια μέρα, στην Οκινάουα της Ιαπωνίας, ο Βάφα παρουσίασε την εικασία στο συνέδριο Strings 2018, το οποίο μεταδόθηκε από φυσικούς σε όλο τον κόσμο. Η συζήτηση ξέσπασε εντός και εκτός έδρας. «Υπήρχαν άνθρωποι που είπαν αμέσως:«Αυτό πρέπει να είναι λάθος», άλλοι άνθρωποι που είπαν, «Ω, το λέω εδώ και χρόνια» και όλα στη μέση», είπε ο Wrase. Υπήρξε σύγχυση, πρόσθεσε, αλλά «επίσης, φυσικά, τεράστιος ενθουσιασμός. Γιατί αν αυτή η εικασία ήταν σωστή, τότε έχει πολλές τεράστιες συνέπειες για την κοσμολογία.»

Οι ερευνητές έχουν ξεκινήσει να εργαστούν προσπαθώντας να δοκιμάσουν την εικασία και να διερευνήσουν τις επιπτώσεις της. Ο Wrase έχει ήδη γράψει δύο έγγραφα, συμπεριλαμβανομένου ενός που μπορεί να οδηγήσει σε βελτίωση της εικασίας, και τα δύο κυρίως όταν βρίσκεται σε διακοπές με την οικογένειά του. Θυμήθηκε ότι σκέφτηκε:«Αυτό είναι τόσο συναρπαστικό. Πρέπει να εργαστώ και να το μελετήσω περαιτέρω.»

Η εικαζόμενη φόρμουλα — που τέθηκε στην εργασία της 25ης Ιουνίου από τους Vafa, Georges Obied, Hirosi Ooguri και Lev Spodyneiko και διερευνήθηκε περαιτέρω σε μια δεύτερη εργασία που κυκλοφόρησε δύο ημέρες αργότερα από τους Vafa, Obied, Prateek Agrawal και Paul Steinhardt — λέει, απλά, ότι όπως το σύμπαν διαστέλλεται, η πυκνότητα της ενέργειας στο κενό του κενού χώρου πρέπει να μειωθεί ταχύτερα από έναν ορισμένο ρυθμό. Ο κανόνας φαίνεται να ισχύει σε όλα τα απλά μοντέλα συμπάντων που βασίζονται στη θεωρία χορδών. Αλλά παραβιάζει δύο ευρέως διαδεδομένες πεποιθήσεις για το πραγματικό σύμπαν:Θεωρεί αδύνατη τόσο την αποδεκτή εικόνα της σημερινής διαστολής του σύμπαντος όσο και το κορυφαίο μοντέλο της εκρηκτικής γέννησής του.

Σκοτεινή ενέργεια σε ερώτηση

Από το 1998, οι παρατηρήσεις με τηλεσκόπιο έχουν δείξει ότι ο κόσμος διαστέλλεται ολοένα και λίγο πιο γρήγορα, υπονοώντας ότι το κενό του κενού χώρου πρέπει να εμποτιστεί με μια δόση βαρυτικά απωθητικής «σκοτεινής ενέργειας».

Επιπλέον, φαίνεται ότι η ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας που εγχέεται στον κενό χώρο παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου (όπως καλύτερα μπορεί να πει κάποιος).

Αλλά η νέα εικασία υποστηρίζει ότι η ενέργεια του κενού του σύμπαντος πρέπει να μειώνεται.

Ο Βάφα και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι τα σύμπαντα με σταθερές, σταθερές, θετικές ποσότητες ενέργειας κενού, γνωστά ως «σύμπαντα de Sitter», δεν είναι δυνατά. Οι θεωρητικοί των χορδών έχουν αγωνιστεί δυναμικά από την ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας το 1998 για να κατασκευάσουν πειστικά μοντέλα από σταθερά σύμπαντα de Sitter. Αλλά αν ο Βάφα έχει δίκιο, τέτοιες προσπάθειες είναι βέβαιο ότι θα βυθιστούν σε λογική ασυνέπεια. Τα σύμπαντα de Sitter δεν βρίσκονται στο τοπίο, αλλά στον «βάλτο». «Τα πράγματα που φαίνονται συνεπή, αλλά τελικά δεν είναι συνεπή, τα ονομάζω βάλτο», εξήγησε πρόσφατα. «Σχεδόν μοιάζουν με τοπίο. μπορείς να ξεγελαστείς από αυτά. Νομίζεις ότι πρέπει να μπορείς να τα κατασκευάσεις, αλλά δεν μπορείς.»

Σύμφωνα με αυτήν την «εικασία ελώδους ντε Σίτερ», σε όλα τα πιθανά, λογικά σύμπαντα, η ενέργεια του κενού πρέπει είτε να πέφτει, είτε η τιμή της σαν μια μπάλα που κυλάει κάτω από ένα λόφο, είτε πρέπει να έχει λάβει μια σταθερή αρνητική τιμή. (Τα λεγόμενα σύμπαντα «anti-de Sitter», με σταθερές, αρνητικές δόσεις ενέργειας κενού, κατασκευάζονται εύκολα στη θεωρία χορδών.)

Η εικασία, εάν αληθεύει, θα σήμαινε ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν μας δεν μπορεί να είναι σταθερή, αλλά πρέπει να λάβει μια μορφή που ονομάζεται «πεμπτουσία» - μια πηγή ενέργειας που σταδιακά θα μειωθεί σε δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια. Πολλά πειράματα με τηλεσκόπιο βρίσκονται σε εξέλιξη τώρα για να διερευνηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια εάν το σύμπαν διαστέλλεται με σταθερό ρυθμό επιτάχυνσης, πράγμα που θα σήμαινε ότι καθώς δημιουργείται νέο διάστημα, μια ανάλογη ποσότητα νέας σκοτεινής ενέργειας προκύπτει μαζί του ή εάν η κοσμική επιτάχυνση γίνεται σταδιακά αλλάζει, όπως στα μοντέλα πεμπτουσίας. Μια ανακάλυψη της πεμπτουσίας θα έφερε επανάσταση στη θεμελιώδη φυσική και κοσμολογία, συμπεριλαμβανομένης της επανεγγραφής της ιστορίας και του μέλλοντος του σύμπαντος. Αντί να διαλυθεί σε ένα Big Rip, ένα πεμπτουσιωμένο σύμπαν θα επιβραδύνει σταδιακά και στα περισσότερα μοντέλα θα σταματήσει τελικά να διαστέλλεται και να συστέλλεται είτε σε Big Crunch είτε σε Big Bounce.

Ο Paul Steinhardt, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον και ένας από τους συν-συγγραφείς του Vafa, είπε ότι τα επόμενα χρόνια, «όλα τα βλέμματα θα πρέπει να είναι στραμμένα στις» μετρήσεις από τα τηλεσκόπια Dark Energy Survey, WFIRST και Euclid για το εάν η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είναι αλλάζει. «Αν διαπιστώσετε ότι δεν συνάδει με την πεμπτουσία», είπε ο Steinhardt, «σημαίνει ότι είτε η ιδέα του βάλτου είναι λάθος, ή η θεωρία χορδών είναι λάθος, ή και τα δύο είναι λάθος ή — κάτι δεν πάει καλά.» 

Inflation Under Siege

Όχι λιγότερο δραματικά, η νέα εικασία για το βάλτο θέτει επίσης αμφιβολίες για την ευρέως αποδεκτή ιστορία της γέννησης του σύμπαντος:τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης γνωστή ως κοσμικός πληθωρισμός. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, ένα μικροσκοπικό, εμποτισμένο με ενέργεια κηλίδα χωροχρόνου διογκώθηκε γρήγορα για να σχηματίσει το μακροσκοπικό σύμπαν που κατοικούμε. Η θεωρία επινοήθηκε για να εξηγήσει, εν μέρει, πώς το σύμπαν έγινε τόσο τεράστιο, λείο και επίπεδο.

Αλλά το υποθετικό «πεδίο φουσκώματος» ενέργειας που υποτίθεται ότι οδήγησε τον κοσμικό πληθωρισμό δεν ταιριάζει με τη φόρμουλα του Βάφα. Για να τηρηθεί ο τύπος, η ενέργεια του πεδίου φουσκώματος θα έπρεπε πιθανώς να μειωθεί πολύ γρήγορα για να σχηματιστεί ένα ομαλό και αρκετά επίπεδο σύμπαν, εξήγησαν ο ίδιος και άλλοι ερευνητές. Έτσι, η εικασία δεν ευνοεί πολλά δημοφιλή μοντέλα κοσμικού πληθωρισμού. Τα επόμενα χρόνια, τηλεσκόπια όπως το Παρατηρητήριο Simons θα αναζητήσουν οριστικές υπογραφές του κοσμικού πληθωρισμού, δοκιμάζοντάς τον σε αντίπαλες ιδέες.

Στο μεταξύ, οι θεωρητικοί των χορδών, που κανονικά σχηματίζουν ένα ενιαίο μέτωπο, θα διαφωνήσουν σχετικά με την εικασία. Η Eva Silverstein, καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ηγέτιδα στην προσπάθεια κατασκευής θεωρητικών μοντέλων του πληθωρισμού των χορδών, πιστεύει ότι είναι πολύ πιθανό να είναι ψευδές. Το ίδιο και ο σύζυγός της, ο καθηγητής του Στάνφορντ Shamit Kachru. είναι ο πρώτος «Κ» στο KKLT, μια διάσημη εργασία του 2003 (γνωστή από τα αρχικά των συγγραφέων της) που πρότεινε ένα σύνολο αιχμηρών συστατικών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συμπάντων de Sitter. Ο τύπος του Vafa λέει ότι τόσο οι κατασκευές του Silverstein όσο και του Kachru δεν θα λειτουργήσουν. «Είμαστε πολιορκημένοι από αυτές τις εικασίες στην οικογένειά μας», αστειεύτηκε ο Silverstein. Αλλά κατά την άποψή της, τα μοντέλα επιτάχυνσης-επέκτασης δεν είναι πλέον δυσμενή πλέον, υπό το φως των νέων εφημερίδων, από πριν. «Ουσιαστικά απλώς εικάζουν ότι αυτά τα πράγματα δεν υπάρχουν, επικαλούμενοι πολύ περιορισμένες και σε ορισμένες περιπτώσεις εξαιρετικά αμφίβολες αναλύσεις», είπε.

Ο Μάθιου Κλέμπαν, θεωρητικός χορδών και κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, εργάζεται επίσης σε αυστηρά μοντέλα πληθωρισμού. Τονίζει ότι η εικασία για τη νέα βαλτώδη περιοχή είναι άκρως εικαστική και ένα παράδειγμα «συλλογισμού φανοστάτη», καθώς μεγάλο μέρος του τοπίου των χορδών δεν έχει ακόμη διερευνηθεί. Και όμως αναγνωρίζει ότι, με βάση τα υπάρχοντα στοιχεία, η εικασία θα μπορούσε κάλλιστα να είναι αληθινή. «Θα μπορούσε να ισχύει για τη θεωρία χορδών, και τότε ίσως η θεωρία χορδών να μην περιγράφει τον κόσμο», είπε ο Kleban. «[Ίσως] η σκοτεινή ενέργεια το έχει παραποιήσει. Αυτό προφανώς θα ήταν πολύ ενδιαφέρον.”

Χαρτογράφηση του Βάλτου

Το αν η εικασία του βάλτου του ντε Σίτερ και τα μελλοντικά πειράματα έχουν πραγματικά τη δύναμη να παραποιήσουν τη θεωρία χορδών μένει να φανεί. Η ανακάλυψη στις αρχές της δεκαετίας του 2000 ότι η θεωρία χορδών έχει περίπου 10 λύσεις σκότωσε το όνειρο ότι θα μπορούσε να προβλέψει μοναδικά και αναπόφευκτα τις ιδιότητες του ενός σύμπαντος μας. Η θεωρία φαινόταν ότι μπορούσε να υποστηρίξει σχεδόν οποιεσδήποτε παρατηρήσεις και έγινε πολύ δύσκολο να δοκιμαστεί ή να απορριφθεί πειραματικά.

Το 2005, ο Βάφα και ένα δίκτυο συνεργατών άρχισαν να σκέφτονται πώς να μειώσουν τις πιθανότητες χαρτογραφώντας θεμελιώδη χαρακτηριστικά της φύσης που πρέπει οπωσδήποτε να είναι αληθινά. Για παράδειγμα, η «εικασία ασθενούς βαρύτητας» τους υποστηρίζει ότι η βαρύτητα πρέπει πάντα να είναι η πιο αδύναμη δύναμη σε οποιοδήποτε λογικό σύμπαν. Τα φανταστικά σύμπαντα που δεν ικανοποιούν τέτοιες απαιτήσεις εκτινάσσονται από το τοπίο στον βάλτο. Πολλές από αυτές τις εικασίες για βάλτους έχουν ανταποκριθεί περίφημα ενάντια στην επίθεση, και μερικές είναι τώρα «σε μια πολύ σταθερή θεωρητική βάση», είπε ο Hirosi Ooguri, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και ένας από τους πρώτους συνεργάτες του Βάφα στο βάλτο. Η εικασία ασθενούς βαρύτητας, για παράδειγμα, έχει συσσωρεύσει τόσα πολλά στοιχεία που τώρα υποπτεύεται ότι ισχύει γενικά, ανεξάρτητα από το αν η θεωρία χορδών είναι η σωστή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Η διαίσθηση σχετικά με το πού τελειώνει το τοπίο και πού αρχίζει το βάλτο προέρχεται από δεκαετίες προσπάθειας για την κατασκευή αυστηρών μοντέλων συμπάντων. Η κύρια πρόκληση αυτού του έργου ήταν ότι η θεωρία χορδών προβλέπει την ύπαρξη 10 διαστάσεων χωροχρόνου - πολύ περισσότερες από ό, τι είναι εμφανές στο 4-D σύμπαν μας. Οι θεωρητικοί χορδών υποστηρίζουν ότι οι έξι επιπλέον χωρικές διαστάσεις πρέπει να είναι μικρές — κουλουριασμένες σφιχτά σε κάθε σημείο. Το τοπίο πηγάζει από όλους τους διαφορετικούς τρόπους διαμόρφωσης αυτών των επιπλέον διαστάσεων. Όμως, αν και οι δυνατότητες είναι τεράστιες, ερευνητές όπως ο Βάφα ανακάλυψαν ότι προκύπτουν γενικές αρχές. Για παράδειγμα, οι κυρτωμένες διαστάσεις συνήθως θέλουν να συστέλλονται βαρυτικά προς τα μέσα, ενώ πεδία όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία τείνουν να απομακρύνουν τα πάντα. Και σε απλές, σταθερές διαμορφώσεις, αυτά τα αποτελέσματα εξισορροπούνται έχοντας αρνητική ενέργεια κενού, δημιουργώντας σύμπαντα anti-de Sitter. Η θετική ενεργειακή αναρρόφηση είναι δύσκολη. «Συνήθως στη φυσική, έχουμε απλά παραδείγματα γενικών φαινομένων», είπε ο Βάφα. "Ο De Sitter δεν είναι κάτι τέτοιο."

Η δημοσίευση KKLT, των Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde και Sandip Trivedi, πρότεινε κορδόνια όπως "ροές", "instantons" και "anti-D-branes" που θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμεύσουν ως εργαλεία για τη διαμόρφωση μιας θετικής, σταθερής ενέργειας κενού. Ωστόσο, αυτές οι κατασκευές είναι περίπλοκες και με τα χρόνια έχουν εντοπιστεί πιθανές αστάθειες. Αν και ο Kachru είπε ότι δεν έχει «καμία σοβαρή αμφιβολία», πολλοί ερευνητές υποπτεύονται ότι το σενάριο KKLT δεν παράγει τελικά σταθερά σύμπαντα de Sitter.

Η Vafa πιστεύει ότι μια συντονισμένη αναζήτηση για σίγουρα σταθερά μοντέλα του σύμπαντος de Sitter έχει καθυστερήσει πολύ. Η εικασία του έχει, πάνω απ' όλα, σκοπό να πιέσει το θέμα. Κατά την άποψή του, οι θεωρητικοί χορδών δεν αισθάνθηκαν αρκετά κίνητρα για να καταλάβουν εάν η θεωρία χορδών είναι πραγματικά ικανή να περιγράψει τον κόσμο μας, αντίθετα τηρούν τη στάση ότι επειδή το τοπίο των χορδών είναι τεράστιο, πρέπει να υπάρχει μια θέση σε αυτό για εμάς, ακόμα κι αν όχι. ξέρει κανείς πού. «Το μεγαλύτερο μέρος της κοινότητας στη θεωρία χορδών εξακολουθεί να πλευρίζει την πλευρά των κατασκευών ντε Σίτερ [υπάρχουσες]», είπε, «επειδή η πεποίθηση είναι:«Κοιτάξτε, ζούμε σε ένα σύμπαν ντε Σίτερ με θετική ενέργεια. Επομένως, καλύτερα να έχουμε παραδείγματα αυτού του τύπου."

Οι εικασίες του έχουν ξεσηκώσει την κοινότητα σε δράση, με ερευνητές όπως ο Wrase να αναζητούν σταθερά αντιπαραδείγματα του de Sitter, ενώ άλλοι παίζουν με ελάχιστα εξερευνημένα σχοινιά μοντέλα πεμπτουσιών συμπάντων. «Θα με ενδιέφερε εξίσου να μάθω αν η εικασία είναι αληθινή ή ψευδής», είπε ο Βάφα. «Το ερώτημα είναι τι πρέπει να κάνουμε. Και βρίσκοντας αποδεικτικά στοιχεία υπέρ ή κατά — έτσι σημειώνουμε πρόοδο."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο TheAtlantic.com και στο Spektrum.de.