Πώς χάθηκαν 6 διαστάσεις, που διέθετε κάποτε ο σημερινός τρισδιάστατος κόσμος μας

Ένα μακροχρόνιο αίνιγμα της θεωρίας των υπερχορδών, μια αμφιλεγόμενη, αλλά δημοφιλής θεωρία, γιατί το σύμπαν έχει μόνο τρεις διαστάσεις κι όχι εννέα,λύθηκε με τη βοήθεια προσομοίωσης σε ένα υπερ-υπολογιστή.

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος δεν μπορεί πραγματικά να φανταστεί έναν χώρο με περισσότερες από τρεις διαστάσεις. Όμως, οι θεωρητικοί λένε ότι δεν υπάρχει μαθηματικός λόγος που δεν μπορούν να υπάρξουν περισσότερες τέτοιες κατευθύνσεις. 

Πράγματι, η θεωρία των υπερχορδών επιμένει ότι υπάρχουν. Αυτό που τους κάνει να το υποστηρίζουν είναι ότι αυτό το μοντέλο καταφέρνει να προσφέρει μια ενιαία εξήγηση για διαφορετικά ανόμοια δομικά στοιχεία της φύσης και φυσικές δυνάμεις.

Η θεωρία των υπερχορδών – η οποία στην πραγματικότητα είναι μία από τις πολλές εκδοχές της θεωρίας χορδών – υποστηρίζει ότι τα σωματίδια της φύσης μπορούν όλα να εκπροσωπούνται από τους διαφορετικούς τρόπους που πάλλονται μικροσκοπικές χορδές σε πολλές διαστάσεις.

Μια συχνή αντίρρηση στη θεωρία των χορδών είναι ότι είναι μη-ελέγξιμη, μια κριτική που οι υποστηρικτές της θεωρίας συχνά αμφισβητούν, αν και δεν έχει περάσει καμία πραγματική δοκιμασία (έλεγχο) με ευρεία συμφωνία των φυσικών.

Η θεωρία των υπερχορδών θεωρεί ότι τα στοιχειώδη σωματίδια της φύσης, είναι μικροσκοπικές χορδές και ο τρόπος που πάλλονται δημιουργούν τα σωματίδια που βλέπουμε.

Ένα πράγμα που οι περισσότεροι φυσικοί συμφωνούν είναι ότι το σύμπαν δημιουργήθηκε με μία έκρηξη σε ένα απειροελάχιστο σημείο. Αρκετές παρατηρήσεις, που περιλαμβάνουν και ότι το σύμπαν συνεχώς επεκτείνεται σαν συνέχεια αυτής της αρχέγονης έκρηξης, υποστηρίζουν αυτή την ιδέα – το λεγόμενο Bin Bang. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν ήταν σε θέση έως τώρα να διευκρινίσουν λεπτομερώς τον τρόπο που συνέβη αυτό το «Big Bang».

Στη θεωρία των υπερχορδών, μία από τις επιτρεπόμενες δονήσεις των χορδών αντιστοιχεί σε ένα σωματίδιο που μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας. Οι συνήγοροι των υπερχορδών λένε πως αυτό το χαρακτηριστικό οδηγεί σε ένα άλλο πλεονέκτημα: φέρνει τα στοιχειώδη σωματίδια ως μία ομάδα κάτω από την ομπρέλα της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν – ένα εξαιρετικά ισχυρό μοντέλο του σύμπαντος, αλλά δυστυχώς αυτό περιγράφει κυρίως τη βαρύτητα και δυσκολεύεται να φωτίσει τον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων. 

Επεκτείνοντας την εμβέλεια της γενικής σχετικότητας σε αυτό το μικροσκοπικό επίπεδο, οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορούν να εισχωρήσουν πιο βαθιά στη φύση του Big Bang.

Ένα υπόλοιπο ανεπίλυτο ζήτημα ήταν ότι οι υπολογισμοί δεν ήταν σε θέση να εξηγήσουν τις επιπλοκές που προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των χορδών.

Στη νέα μελέτη, τρεις φυσικοί που δουλεύουν στον μεγάλο επιταχυντή των πανεπιστημίων Shizuoka και Osaka, δήλωσαν ότι ανέπτυξαν μια μαθηματική μέθοδο για να ξεπεραστεί το τελευταίο αυτό πρόβλημα. Έτσι, με αυτή τη μέθοδο κατάφεραν να προσομοιώσουν τη γέννηση του σύμπαντος, σαν να είχε αρχίσει με εννέα χωρικές διαστάσεις, όπως ισχυρίζεται η θεωρία των υπερχορδών.

Καθώς η προσομοίωση συνεχίστηκε, τρεις από αυτές τις διαστάσεις αποδείχθηκε ότι υποβάλλονται σε μια διαστολή γεγονός που τους επέτρεψε να γίνουν ορατές σήμερα, αναφέρουν οι επιστήμονες. Οι υπόλοιπες διαστάσεις παραμένουν κρυμμένες. Οι θεωρητικοί των χορδών θεωρούν ότι οι αόρατες πρόσθετες χωρικές διαστάσεις είναι διπλωμένες, έτσι ώστε να γίνονται σημαντικές μόνο σε μικροσκοπικές κλίμακες.

Το περιεχόμενο της έρευνας

Σε αυτή τη μελέτη, η ομάδα δημιούργησε μία μέθοδο για τον υπολογισμό μεγάλων πινάκων, οι οποίοι αντιπροσωπεύουν τις αλληλεπιδράσεις των χορδών, και υπολόγισαν πως ο χώρος με τις 9 διαστάσεις αλλάζει με τον χρόνο.

Αν κάποιος πάει αρκετά πίσω στο χρόνο, ο χώρος πράγματι εκτεινόταν σε 9 διευθύνσεις, αλλά στη συνέχεια κάποια στιγμή μόνο 3 από αυτές τις κατευθύνσεις άρχισαν να αναπτύσσονται με ταχείς ρυθμούς. Το αποτέλεσμα αυτό δείχνει, για πρώτη φορά, ότι ο 3-διάστατος χώρος που ζούμε στην πραγματικότητα αναδύεται από ένα 9-διάστατο χώρο που προβλέπει η θεωρία των υπερχορδών. Έτσι, τα νέα ευρήματα υποστηρίζουν τη θεωρία των υπερχορδών.

Οι τρεις ερευνητές έκαναν προσομοιώσεις με τον υπερυπολογιστή Hitachi SR16000 (θεωρητική ισχύς 90 Terra Flops) στο Πανεπιστήμιο του Κιότο. Τέλος, η έρευνα θα μπορούσε, να επεκταθεί και να βοηθήσει ώστε να εξηγήσει επιπλέον μυστήρια της φύσης, όπως γιατί το σύμπαν διαστέλλεται με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό, πιστεύουν οι ερευνητές.

Η σημασία της έρευνας είναι μεγάλη γιατί καθιερώνει τη χρήση των υπερυπολογιστών για την ανάλυση της θεωρίας των υπερχορδών. Επίσης, θα πρέπει πλέον να είναι δυνατόν να μας προσφέρουν μια θεωρητική κατανόηση του πληθωρισμού, που πιστεύεται ότι έλαβε χώρα στις απαρχές του σύμπαντος και αναπτύχθηκε σαν θεωρία από τους Katsuhiko Sato και Alan Guth ανεξάρτητα στις αρχές του 1980, αλλά και την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, που η ανακάλυψη της έδωσε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής στον Saul Perlmutter.

Αναμένεται ότι θα αναπτυχθεί κι άλλο η θεωρία των υπερχορδών και να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην επίλυση τέτοιων γρίφων της σωματιδιακής φυσικής, όπως η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης που προτείνεται από αστρονομικές παρατηρήσεις και το σωματίδιο Higgs, το οποίο αναμένεται να ανακαλυφθεί από τα πειράματα στον LHC.

Τα αποτελέσματα της έρευνας πρόκειται να δημοσιευθούν στο περιοδικό Physical Review Letters.

πηγή-thecuriosityofcat

Διαβάστε περισσότερα... »

Η θεωρία των χορδών

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων, τα άτομα αποτελούνται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, τα οποία περιστρέφονται γύρω από θετικά φορτισμένους πυρήνες, που με τη σειρά τους αποτελούνται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ανακαλύφθηκε ότι αποτελούνται από συνδυασμούς δύο άλλων σωματιδίων, το πάνω (up) και κάτω (down) κουάρκ.

Το ηλεκτρόνιο μαζί με τα up/down κουάρκ και το νετρίνο του ηλεκτρονίου (ένα επίσης ουδέτερο και με ελάχιστη μάζα σωματίδιο), είναι τα θεμελιώδη συστατικά που ενώνονται μεταξύ τους προκειμένου να σχηματίσουν τις δομές του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου, από το πρωτόνιο και τα άτομα, μέχρι τις τεράστιες συγκεντρώσεις ύλης που παρατηρούνται στα άστρα και στους γαλαξίες του Σύμπαντος.

Αυτό επιτυγχάνεται διά μέσου τεσσάρων θεμελιωδών φυσικών δυνάμεων:

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη κρατά τα κουάρκ κολλημένα μεταξύ τους μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια καθώς και τα πρωτόνια και τα νετρόνια σφιχτοδεμένα μέσα στους πυρήνες των ατόμων. Αφορά ένα μικροσκοπικό πεδίο ύπαρξης, αλλά η δύναμη αυτή είναι τεράστια. 

Η ασθενής πυρηνική δύναμη συνδέεται με τη ραδιενεργό διάσπαση ή την ακτινοβολία των στοιχείων που απαρτίζουν το άτομο. Είναι κι αυτή μια πολύ ισχυρή δύναμη.
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη συγκρατεί τα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα και συνενώνει τα μόρια στη Χημεία και στη Βιοχημεία. 

Η βαρύτητα είναι η δύναμη η οποία έλκει οποιαδήποτε δύο αντικείμενα στο σύμπαν και εξαρτάται από τη μάζα των αντικειμένων και την απόσταση μεταξύ τους. 

Το 1907 ο Albert Einstein προσπαθώντας να καταλάβει πως λειτουργεί η βαρύτητα (πως γίνεται ο Ήλιος να επηρεάζει την κίνηση της Γής μέσω του άδειου από ενέργεια διαστήματος) ανακάλυψε ότι το μέσο που μεταδίδει τη βαρύτητα είναι ο ίδιος ο χώρος. Φανταστείτε ότι ο χώρος είναι ένα επίπεδο υπόστρωμα (σαν ένα απλωμένο σεντόνι) όταν δεν υπάρχει μάζα παρούσα, εάν όμως υπάρχει μάζα όπως ο Ήλιος αναγκάζεται να στρεβλωθεί να καμπυλωθεί (σα να ρίχναμε πάνω στο σεντόνι ένα βαρύ σφαιρίδιο) και αυτό μεταδίδει τη δύναμη της βαρύτητας. Ακόμα και η Γή καμπυλώνει το χώρο γύρω της με αποτέλεσμα η Σελήνη παραμένει σε τροχιά επειδή περιστρέφεται γύρω από μία κοιλάδα σε ένα καμπύλο περιβάλλον.

Στις κβαντικές θεωρίες όμως, η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο σωματιδίων θεωρήθηκε ως η εικονική ανταλλαγή ενός τρίτου σωματιδίου. Όσον αφορά την ισχυρή πυρηνική δύναμη φέροντα σωματίδια είναι τα γλοιόνια ή γλουόνια ενώ για την ασθενή πυρηνική δύναμη φέροντα σωματίδια είναι τα λεγόμενα μποζόνια W και Ζ. Στην περίπτωση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης το φέρον σωματίδιο είναι το φωτόνιο, το αντίστοιχο φέρον σωματίδιο της βαρύτητας είναι το γκραβιτόνιο (βαρυτόνιο), η ύπαρξή του όμως δεν έχει ακόμη αποδειχθεί.

Οι φυσικοί σήμερα πιστεύουν ότι οι τέσσερις θεμελιώδεις φυσικές δυνάμεις που περιγράψαμε παραπάνω, είναι διαφορετικές εκδηλώσεις μιας και μοναδικής συμπαντικής υπερδύναμης και έτσι όλοι οι νόμοι της δημιουργίας μπορούν να ενσωματωθούν σε μία και μόνο θεωρία.

Η θεωρία χορδών γεννήθηκε όταν ο Ιταλός φυσικός Gabrielle Veneziano, το 1968 στο CERN, διαπίστωσε ότι κάποιες πυρηνικές ιδιότητες μπορούσαν να συσχετιστούν μέσω της Συνάρτησης Βήτα του Euler η οποία περιγράφει μια παλλόμενη χορδή. Τελικά η ολοκληρωμένη Θεωρία των Χορδών διατυπώθηκε το 1984 από τους Green και Schwarz.

Έχουν διατυπωθεί πέντε διαφορετικές θεωρίες των χορδών οι οποίες έχουν πολλά κοινά σημεία αλλά διαφέρουν σημαντικά ως προς τη μαθηματική τους δομή. Τελικά αποδείχτηκε ότι αυτές ήταν στην πραγματικότητα πέντε διαφορετικοί τρόποι θεώρησης του ίδιου πράγματος. Έτσι ενοποιήθηκαν σε μία θεωρία, τη λεγόμενη Μ-θεωρία.

Πριν από την θεωρία των χορδών οι φυσικοί πίστευαν ότι τα θεμελιώδη δομικά συστατικά της ύλης ήταν απλώς σημεία στο χώρο. Στη θεωρία χορδών αυτό που μέχρι τώρα θεωρούσαμε σημείο στο χώρο, αντικαθίσταται από μία παλλόμενη ίνα ενέργειας που διαθέτει μόνο μήκος και ονομάζεται χορδή.

Οι χορδές μπορεί να έχουν άκρες (ανοικτές χορδές) και να μοιάζουν με τρίχα ή μπορεί να σχηματίζουν βρόχους (κλειστές χορδές) και να μοιάζουν με λαστιχάκι. Καθώς μια χορδή κινείται μέσω του χρόνου σχεδιάζει έναν σωλήνα (κλειστή) ή ένα φύλλο (ανοικτή).

Οι χορδές ταλαντώνονται με διαφορετικές συχνότητες δημιουργώντας τους διαφορετικούς τύπους των σωματιδίων, τα οποία συνδυάζονται κατάλληλα ώστε να δημιουργήσουν την ύλη όπως την ξέρουμε. Δεν μπορούμε όμως να αντιληφθούμε τα σωματίδια σαν χορδές διότι έχουν μήκος μόλις 10-33 cm και μηδενικό πάχος, είναι δηλαδή μονοδιάστατες.

Η ίδια ιδέα εφαρμόζεται και στις δυνάμεις της φύσης, τα σωματίδια των δυνάμεων σχετίζονται επίσης με ορισμένους τρόπους ταλάντωσης των χορδών.

Για να έχουν νόημα οι χορδές απαιτούνται τουλάχιστον 10 χωρικές και 1 χρονική διάσταση από τις οποίες οι υπόλοιπες διαστάσεις (πέρα των 4 διαστάσεων του χώρου και του χρόνου) δεν μοιάζουν με αυτές που ξέρουμε, αλλά είναι καμπυλωμένες (τυλιγμένες) σ' ένα χώρο με πολύ μικρό μέγεθος που είναι αδύνατον να αντιληφθούμε.

Το κυκλικό σύμπαν αποτελεί ένα μοντέλο προέλευσης του Κόσμου (με βάση την θεωρία χορδών) στο οποίο το σύμπαν θεωρείται σαν μια μεμβράνη ή βράνη. Στην ουσία η θεωρία πιστεύει ότι το σύμπαν μας (με τη μορφή βράνης) υπάρχει μέσα σε ένα πολυδιάστατο υπερχώρο, όπου υπάρχουν και άλλες βράνες που αντιπροσωπεύουν παράλληλα με το δικό μας σύμπαντα.

Οι άλλοι κόσμοι-βράνες είναι σύμπαντα που επιπλέουν σε μία πέμπτη διάσταση. Παραμένουν όμως αόρατες επειδή τα σωματίδια και το φως δεν μπορούν να ταξιδέψουν μέσω της πέμπτης διάστασης. Η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που μπορεί να κινηθεί μέσα από την πέμπτη διάσταση δημιουργώντας πιθανές συγκρούσεις μεταξύ τους.

Όταν μία από τις συνοριακές βράνες κινείται αργά αλλά σταθερά προς μία άλλη, συρρικνώνει την πέμπτη διάσταση και όταν συγκρουστούν η πέμπτη διάσταση καταρρέει εντελώς (Μεγάλη Σύνθλιψη). Στην συνέχεια αναπηδούν προς αντίθετες κατευθύνσεις και αρχίζουν να απομακρύνονται, αναδημιουργώντας την πέμπτη διάσταση (Μεγάλη Έκρηξη).

πηγή

Διαβάστε περισσότερα... »