Το Dark Matter Harbor Life;

Παρόλο που γνωρίζουμε ότι η συνηθισμένη ύλη αντιπροσωπεύει μόνο περίπου το ένα εικοστό της ενέργειας του σύμπαντος και το ένα έκτο της συνολικής ενέργειας που μεταφέρεται από την ύλη (με τη σκοτεινή ενέργεια να αποτελεί το υπόλοιπο τμήμα), θεωρούμε ωστόσο ότι η συνηθισμένη ύλη είναι το πραγματικά σημαντικό συστατικό. Με εξαίρεση τους κοσμολόγους, η προσοχή σχεδόν όλων είναι στραμμένη στο συστατικό της συνηθισμένης ύλης, το οποίο μπορεί να πιστεύατε ότι είναι σε μεγάλο βαθμό ασήμαντο σύμφωνα με την ενεργειακή λογιστική.

Φυσικά, νοιαζόμαστε περισσότερο για τη συνηθισμένη ύλη, επειδή είμαστε φτιαγμένοι από την ουσία—όπως και ο απτός κόσμος στον οποίο ζούμε. Δίνουμε όμως προσοχή και λόγω του πλούτου των αλληλεπιδράσεών του. Η συνηθισμένη ύλη αλληλεπιδρά μέσω των ηλεκτρομαγνητικών, των αδύναμων και των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων - βοηθώντας την ορατή ύλη του κόσμου μας να σχηματίσει πολύπλοκα, πυκνά συστήματα. Όχι μόνο τα αστέρια, αλλά και οι βράχοι, οι ωκεανοί, τα φυτά και τα ζώα οφείλουν την ίδια τους την ύπαρξη στις μη βαρυτικές δυνάμεις της φύσης μέσω των οποίων αλληλεπιδρά η συνηθισμένη ύλη. Ακριβώς όπως το μικρό ποσοστό περιεκτικότητας σε αλκοόλ μιας μπύρας επηρεάζει πολύ περισσότερο τα καρούλια από το υπόλοιπο ποτό, η συνηθισμένη ύλη, αν και φέρει ένα μικρό ποσοστό της ενεργειακής πυκνότητας, επηρεάζει τον εαυτό της και το περιβάλλον της πολύ πιο αισθητά από κάτι που περνάει. P>

Η γνωστή ορατή ύλη μπορεί να θεωρηθεί ως το προνομιακό ποσοστό - στην πραγματικότητα περισσότερο σαν το 15 τοις εκατό - της ύλης. Στις επιχειρήσεις και την πολιτική, το 1 % που αλληλεπιδρά κυριαρχεί στη λήψη αποφάσεων και στην πολιτική, ενώ το υπόλοιπο 99 τοις εκατό του πληθυσμού παρέχει λιγότερο αναγνωρισμένη υποδομή και υποστήριξη—συντήρηση κτιρίων, διατήρηση λειτουργικών πόλεων και μεταφορά τροφίμων στα τραπέζια των ανθρώπων. Ομοίως, η συνηθισμένη ύλη κυριαρχεί σχεδόν σε όλα όσα παρατηρούμε, ενώ η σκοτεινή ύλη, στην αφθονία και την πανταχού παρουσία της, βοήθησε στη δημιουργία σμηνών και γαλαξιών και διευκόλυνε το σχηματισμό άστρων, αλλά έχει περιορισμένη μόνο επιρροή στο άμεσο περιβάλλον μας σήμερα.

Για την κοντινή δομή, η συνηθισμένη ύλη είναι υπεύθυνη. Είναι υπεύθυνο για την κίνηση των σωμάτων μας, τις πηγές ενέργειας που οδηγούν την οικονομία μας, την οθόνη ή το χαρτί του υπολογιστή στο οποίο διαβάζετε αυτό, και βασικά για οτιδήποτε άλλο μπορείτε να σκεφτείτε ή να σας ενδιαφέρει. Εάν κάτι έχει μετρήσιμες αλληλεπιδράσεις, αξίζει να προσέξετε, καθώς θα έχει πολύ πιο άμεσες επιπτώσεις σε οτιδήποτε υπάρχει γύρω.

Στο συνηθισμένο σενάριο, η σκοτεινή ύλη στερείται αυτού του τύπου ενδιαφέρουσας επιρροής και δομής. Η κοινή υπόθεση είναι ότι η σκοτεινή ύλη είναι η «κόλλα» που συγκρατεί τους γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών, αλλά κατοικεί μόνο σε άμορφα σύννεφα γύρω τους. Αλλά τι γίνεται αν αυτή η υπόθεση δεν είναι αληθινή και είναι μόνο η προκατάληψη μας —και η άγνοια, που είναι τελικά η ρίζα των περισσότερων προκαταλήψεων— που μας οδήγησαν σε αυτό το δυνητικά παραπλανητικό μονοπάτι;

Το Καθιερωμένο Μοντέλο περιέχει έξι τύπους κουάρκ, τρεις τύπους φορτισμένων λεπτονίων (συμπεριλαμβανομένου του ηλεκτρονίου), τρία είδη νετρίνων, όλα τα σωματίδια που είναι υπεύθυνα για δυνάμεις, καθώς και το μποζόνιο Χιγκς που ανακαλύφθηκε πρόσφατα. Τι κι αν ο κόσμος της σκοτεινής ύλης —αν όχι εξίσου πλούσιος— είναι επίσης αρκετά πλούσιος; Σε αυτή την περίπτωση, η περισσότερη σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά αμελητέα, αλλά ένα μικρό συστατικό της σκοτεινής ύλης θα αλληλεπιδράσει υπό δυνάμεις που θυμίζουν αυτές της συνηθισμένης ύλης. Η πλούσια και πολύπλοκη δομή των σωματιδίων και των δυνάμεων του Καθιερωμένου Μοντέλου προκαλεί πολλά από τα ενδιαφέροντα φαινόμενα του κόσμου. Εάν η σκοτεινή ύλη έχει ένα συστατικό που αλληλεπιδρά, αυτό το κλάσμα μπορεί επίσης να επηρεάσει.

Αν ήμασταν πλάσματα φτιαγμένα από σκοτεινή ύλη, θα ήταν πολύ λάθος να υποθέσουμε ότι τα σωματίδια στον τομέα της συνηθισμένης ύλης μας ήταν όλα του ίδιου τύπου. Ίσως εμείς οι απλοί άνθρωποι να κάνουμε ένα παρόμοιο λάθος. Δεδομένης της πολυπλοκότητας του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο περιγράφει τα πιο βασικά συστατικά της ύλης που γνωρίζουμε, φαίνεται πολύ παράξενο να υποθέσουμε ότι όλη η σκοτεινή ύλη αποτελείται από έναν μόνο τύπο σωματιδίου. Γιατί να μην υποθέσουμε ότι κάποιο τμήμα της σκοτεινής ύλης βιώνει τις δικές του δυνάμεις;

Σε αυτήν την περίπτωση, όπως η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από διαφορετικούς τύπους σωματιδίων και αυτά τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία αλληλεπιδρούν μέσω διαφορετικών συνδυασμών φορτίων, η σκοτεινή ύλη θα έχει επίσης διαφορετικά δομικά στοιχεία - και τουλάχιστον ένας από αυτούς τους διαφορετικούς νέους τύπους σωματιδίων θα υφίσταται μη βαρυτικές αλληλεπιδράσεις. Τα νετρίνα στο Καθιερωμένο Μοντέλο δεν αλληλεπιδρούν υπό την ισχυρή ή ηλεκτρική δύναμη, αλλά οι έξι τύποι κουάρκ αλληλεπιδρούν.

Με παρόμοιο τρόπο, ίσως ένας τύπος σωματιδίου της σκοτεινής ύλης έχει αδύναμες ή καθόλου αλληλεπιδράσεις εκτός από τη βαρύτητα, αλλά ένα κλάσμα του -ίσως το 5 τοις εκατό- το κάνει. Με βάση αυτά που έχουμε δει στον κόσμο της συνηθισμένης ύλης, ίσως αυτό το σενάριο είναι ακόμη πιο πιθανό από τη συνηθισμένη υπόθεση ενός πολύ ασθενούς ή μη αλληλεπιδρώντος σωματιδίου σκοτεινής ύλης.

Οι άνθρωποι στις εξωτερικές σχέσεις κάνουν λάθος όταν συγκεντρώνουν τους πολιτισμούς μιας άλλης χώρας—υποθέτοντας ότι δεν παρουσιάζουν την ποικιλομορφία των κοινωνιών που είναι εμφανής στη δική μας. Ακριβώς όπως ένας καλός διαπραγματευτής δεν αναλαμβάνει την υπεροχή ενός τομέα της κοινωνίας έναντι ενός άλλου όταν προσπαθεί να τοποθετήσει τις διαφορετικές κουλτούρες σε ίση βάση, ένας αμερόληπτος επιστήμονας δεν πρέπει να υποθέσει ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι τόσο ενδιαφέρουσα όσο η συνηθισμένη ύλη και ότι αναγκαστικά στερείται μια ποικιλία ύλης παρόμοια με τη δική μας.

Ο επιστημονικός συγγραφέας Corey S. Powell, όταν αναφέρθηκε στην έρευνά μας στο Discover περιοδικό, ξεκίνησε το άρθρο του ανακοινώνοντας ότι ήταν «σοβινιστής της ελαφριάς ύλης» — και επισημαίνοντας ότι σχεδόν όλοι οι άλλοι είναι επίσης. Με αυτό εννοούσε ότι θεωρούμε το είδος της ύλης που γνωρίζουμε ως μακράν το πιο σημαντικό και επομένως το πιο περίπλοκο και ενδιαφέρον. Είναι το είδος της πεποίθησης που ίσως νομίζατε ότι ανατρέπεται από την Κοπέρνικη Επανάσταση. Ωστόσο, οι περισσότεροι άνθρωποι επιμένουν να υποθέτουν ότι η προοπτική τους και η πεποίθησή τους για τη σημασία μας είναι σύμφωνες με τον εξωτερικό κόσμο.

Τα πολλά συστατικά της συνηθισμένης ύλης έχουν διαφορετικές αλληλεπιδράσεις και συμβάλλουν στον κόσμο με διαφορετικούς τρόπους. Επίσης, η σκοτεινή ύλη μπορεί να έχει διαφορετικά σωματίδια με διαφορετικές συμπεριφορές που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη δομή του σύμπαντος με μετρήσιμο τρόπο.

Όταν μελέτησα για πρώτη φορά εν μέρει αλληλεπιδρούσα σκοτεινή ύλη, εξεπλάγην όταν διαπίστωσα ότι ουσιαστικά κανείς δεν είχε σκεφτεί την πιθανή πλάνη -και την ύβρις- να υποθέσει ότι μόνο η συνηθισμένη ύλη παρουσιάζει μια ποικιλία τύπων και αλληλεπιδράσεων σωματιδίων. Μερικοί φυσικοί προσπάθησαν να αναλύσουν μοντέλα, όπως η «καθρεπτική σκοτεινή ύλη», η οποία διαθέτει σκοτεινή ύλη που μιμείται τα πάντα σχετικά με τη συνηθισμένη ύλη. Αλλά υποδείγματα όπως αυτό ήταν μάλλον συγκεκριμένα και εξωτικά. Οι επιπτώσεις τους ήταν δύσκολο να συμβιβαστούν με όλα όσα γνωρίζουμε.

Μια μικρή κοινότητα φυσικών είχε μελετήσει πιο γενικά μοντέλα αλληλεπίδρασης σκοτεινής ύλης. Αλλά ακόμη και αυτοί υπέθεσαν ότι όλη η σκοτεινή ύλη ήταν η ίδια και επομένως είχαν πανομοιότυπες δυνάμεις. Κανείς δεν είχε επιτρέψει την πολύ απλή πιθανότητα ότι, αν και η περισσότερη σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά, ένα μικρό κλάσμα της θα μπορούσε.

Ένας πιθανός λόγος μπορεί να είναι προφανής. Οι περισσότεροι άνθρωποι θα περίμεναν ότι ένας νέος τύπος σκοτεινής ύλης θα είναι άσχετος με τα περισσότερα μετρήσιμα φαινόμενα, εάν το επιπλέον συστατικό αποτελεί μόνο ένα μικρό κλάσμα του αποθέματος της σκοτεινής ύλης. Έχοντας καν παρατηρήσει το κυρίαρχο συστατικό της σκοτεινής ύλης, το να ασχοληθεί κανείς με ένα μικρότερο συστατικό μπορεί να φαίνεται πρόωρο.

Αλλά όταν θυμάστε ότι η συνηθισμένη ύλη μεταφέρει μόνο περίπου το 20 τοις εκατό της ενέργειας της σκοτεινής ύλης - ωστόσο είναι ουσιαστικά το μόνο που προσέχουμε οι περισσότεροι από εμάς - μπορείτε να δείτε πού θα μπορούσε να είναι λανθασμένη αυτή η λογική. Η αλληλεπίδραση της ύλης μέσω ισχυρότερων μη βαρυτικών δυνάμεων μπορεί να είναι πιο ενδιαφέρουσα και με μεγαλύτερη επιρροή ακόμη και από μια μεγαλύτερη ποσότητα ασθενώς αλληλεπιδρούσας ύλης.

Είδαμε ότι αυτό ισχύει για τη συνηθισμένη υπόθεση. Η συνηθισμένη ύλη ασκεί αδικαιολόγητη επιρροή δεδομένης της πενιχρής αφθονίας της επειδή καταρρέει σε έναν δίσκο πυκνής ύλης όπου θα μπορούσαν να σχηματιστούν αστέρια, πλανήτες, η Γη, ακόμη και ζωή. Ένα φορτισμένο συστατικό σκοτεινής ύλης - αν και όχι απαραίτητα τόσο πλούσιο - μπορεί να καταρρεύσει και να σχηματίσει δίσκους όπως ο ορατός στον Γαλαξία μας. Μπορεί ακόμη και να κατακερματιστεί σε αστρικά αντικείμενα. Αυτή η νέα δομή που μοιάζει με δίσκο μπορεί καταρχήν να παρατηρηθεί και μπορεί ακόμη και να αποδειχθεί πιο προσιτή από το συμβατικό κυρίαρχο συστατικό ψυχρής σκοτεινής ύλης που απλώνεται πιο διάχυτα σε ένα τεράστιο σφαιρικό φωτοστέφανο.

Μόλις αρχίσετε να σκέφτεστε σύμφωνα με αυτές τις γραμμές, οι δυνατότητες πολλαπλασιάζονται γρήγορα. Εξάλλου, ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι μόνο μία από τις πολλές μη βαρυτικές δυνάμεις που βιώνουν τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου. Εκτός από τη δύναμη που δεσμεύει τα ηλεκτρόνια με τους πυρήνες, τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου του κόσμου μας αλληλεπιδρούν μέσω των αδύναμων και ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων. Ακόμα περισσότερες δυνάμεις μπορεί να είναι παρούσες στον κόσμο της συνηθισμένης ύλης, αλλά θα έπρεπε να είναι εξαιρετικά αδύναμες σε προσβάσιμες ενέργειες αφού μέχρι στιγμής, κανείς δεν έχει παρατηρήσει κανένα σημάδι τους. Αλλά ακόμη και η παρουσία τριών μη βαρυτικών δυνάμεων υποδηλώνει ότι και ο σκοτεινός τομέας που αλληλεπιδρά μπορεί επίσης να βιώσει μη βαρυτικές δυνάμεις εκτός από τον σκοτεινό ηλεκτρομαγνητισμό.

Ίσως πυρηνικού τύπου δυνάμεις δρουν σε σκοτεινά σωματίδια εκτός από τις ηλεκτρομαγνητικού τύπου. Σε αυτό το ακόμη πιο πλούσιο σενάριο, θα μπορούσαν να σχηματιστούν σκοτεινά αστέρια που υφίστανται πυρηνική καύση για να δημιουργήσουν δομές που συμπεριφέρονται ακόμη πιο παρόμοια με τη συνηθισμένη ύλη από τη σκοτεινή ύλη που περιέγραψα μέχρι τώρα. Σε αυτή την περίπτωση, ο σκοτεινός δίσκος θα μπορούσε να κατοικείται από σκοτεινά αστέρια που περιβάλλονται από σκοτεινούς πλανήτες που αποτελούνται από σκοτεινά άτομα. Η σκοτεινή ύλη διπλού δίσκου μπορεί τότε να έχει την ίδια πολυπλοκότητα της συνηθισμένης ύλης.

Η μερική αλληλεπίδραση της σκοτεινής ύλης σίγουρα δημιουργεί γόνιμο έδαφος για εικασίες και μας ενθαρρύνει να εξετάσουμε πιθανότητες που διαφορετικά δεν θα είχαμε. Ειδικά οι συγγραφείς και οι θεατές του κινηματογράφου θα έβρισκαν πολύ δελεαστικό ένα σενάριο με τέτοιες πρόσθετες δυνάμεις και συνέπειες στον σκοτεινό τομέα. Μάλλον θα πρότειναν ακόμη και τη σκοτεινή ζωή να συνυπάρχει με τη δική μας. Σε αυτό το σενάριο, αντί των συνηθισμένων κινουμένων σχεδίων να πολεμούν άλλα κινούμενα πλάσματα ή σε σπάνιες περιπτώσεις να συνεργάζονται μαζί τους, στρατοί από πλάσματα της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να διασχίσουν την οθόνη και να μονοπωλήσουν όλη τη δράση.

Αλλά αυτό δεν θα ήταν πολύ ενδιαφέρον να το παρακολουθήσετε. Το πρόβλημα είναι ότι οι κινηματογραφιστές θα είχαν πρόβλημα να κινηματογραφήσουν αυτή τη σκοτεινή ζωή, η οποία είναι φυσικά αόρατη σε εμάς - και σε αυτούς. Ακόμα κι αν τα σκοτεινά πλάσματα ήταν εκεί (και ίσως να ήταν) δεν θα ξέραμε. Δεν έχετε ιδέα πόσο χαριτωμένη θα μπορούσε να είναι η ζωή της σκοτεινής ύλης—και σχεδόν σίγουρα δεν θα το κάνετε ποτέ.

Αν και είναι διασκεδαστικό να εικασίες για την πιθανότητα της σκοτεινής ζωής, είναι πολύ πιο δύσκολο να βρεις έναν τρόπο να την παρατηρήσεις - ή ακόμα και να εντοπίσεις την ύπαρξή της με πιο έμμεσους τρόπους. Είναι αρκετά δύσκολο να βρούμε ζωή που αποτελείται από το ίδιο υλικό που είμαστε, αν και οι έρευνες για εξωηλιακούς πλανήτες βρίσκονται σε εξέλιξη και προσπαθούν σκληρά. Αλλά τα στοιχεία για τη σκοτεινή ζωή, αν υπήρχαν, θα ήταν πολύ πιο άπιαστα ακόμη και από τα στοιχεία για τη συνηθισμένη ζωή σε μακρινές σφαίρες.

Μόλις πρόσφατα είδαμε τελικά κύματα βαρύτητας από τεράστιες μαύρες τρύπες. Έχουμε ελάχιστες έως καθόλου πιθανότητες να ανιχνεύσουμε τη βαρυτική επίδραση ενός σκοτεινού πλάσματος, ή ακόμα και ενός στρατού από σκοτεινά πλάσματα — ανεξάρτητα από το πόσο κοντά μπορεί να είναι όλα αυτά.

Στην ιδανική περίπτωση, θα θέλαμε με κάποιο τρόπο να επικοινωνήσουμε με αυτόν τον νέο τομέα — ή να μας ανταποκριθεί με κάποιο διακριτικό τρόπο. Αλλά αν αυτή η νέα ζωή δεν βιώσει τις ίδιες δυνάμεις με εμάς, αυτό δεν πρόκειται να συμβεί. Ακόμα κι αν μοιραζόμαστε τη βαρύτητα, η δύναμη που ασκείται από ένα μικρό αντικείμενο ή μια μορφή ζωής θα ήταν σχεδόν σίγουρα πολύ αδύναμη για να ανιχνευθεί. Μόνο πολύ μεγάλα σκοτεινά αντικείμενα, όπως ένας δίσκος που εκτείνεται σε όλο το επίπεδο του Γαλαξία, θα μπορούσαν να έχουν ορατές συνέπειες.

Τα σκοτεινά αντικείμενα ή η σκοτεινή ζωή θα μπορούσαν να είναι πολύ κοντά - αλλά αν η καθαρή μάζα του σκοτεινού υλικού δεν είναι πολύ μεγάλη, δεν θα είχαμε κανένα τρόπο να το μάθουμε. Ακόμη και με την πιο πρόσφατη τεχνολογία, ή οποιαδήποτε τεχνολογία που μπορούμε να φανταστούμε αυτήν τη στιγμή, μόνο ορισμένες πολύ εξειδικευμένες δυνατότητες μπορεί να είναι ελεγχόμενες. Η «σκιώδης ζωή», όσο συναρπαστική κι αν ήταν, δεν θα έχει απαραίτητα ορατές συνέπειες που θα παρατηρούσαμε, καθιστώντας την μια δελεαστική πιθανότητα αλλά ανοσία στις παρατηρήσεις. Για να είμαστε δίκαιοι, η σκοτεινή ζωή είναι μια μεγάλη τάξη. Οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας μπορεί να μην έχουν πρόβλημα να το δημιουργήσουν, αλλά το σύμπαν έχει πολλά περισσότερα εμπόδια να ξεπεράσει. Από όλες τις πιθανές χημείες, είναι πολύ ασαφές πόσες θα μπορούσαν να διατηρήσουν τη ζωή, και ακόμη και μεταξύ αυτών που θα μπορούσαν, δεν γνωρίζουμε τον τύπο των περιβαλλόντων που θα ήταν απαραίτητοι.

Παρ' όλα αυτά, η σκοτεινή ζωή θα μπορούσε κατ' αρχήν να υπάρχει —ακόμα και ακριβώς κάτω από τη μύτη μας. Αλλά χωρίς ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις με την ύλη του κόσμου μας, μπορεί να είναι πάρτι ή τσακωμός ή ενεργός ή αδρανής και δεν θα μάθαμε ποτέ. Αλλά το ενδιαφέρον είναι ότι εάν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις στον σκοτεινό κόσμο - είτε σχετίζονται είτε όχι με τη ζωή - οι επιπτώσεις στη δομή θα μπορούσαν τελικά να μετρηθούν. Και τότε θα μάθουμε πολλά περισσότερα για τον σκοτεινό κόσμο.

Η Lisa Randall είναι ο Frank B. Baird, Jr., Καθηγητής Επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, όπου σπουδάζει θεωρητική σωματιδιακή φυσική και κοσμολογία. @lirarandall

Από το βιβλίο Dark Matter and the Dinosaurs από τη Λίζα Ράνταλ. Πνευματικά δικαιώματα @ 2015 από τη Lisa Randall. Ανατύπωση με άδεια της Ecco, αποτύπωμα των εκδοτών HarperCollins.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Nautilus Cosmos τον Φεβρουάριο του 2017.