pi in the sky⁽¹⁾

(…) Αν η βαρύτητα έχει μάζα, τότε όσο μικρή και να είναι, θα υπάρχει πάντα ένα σημείο στο οποίο η επιρροή της μάζας της θα κάνει την εμφάνισή της, ίσως ο καλύτερος τρόπος για να την ανιχνεύσουμε να είναι απλώς να περιμένουμε μερικά δισεκατομμύρια χρόνια για να δούμε αν το Σύμπαν θα ακολουθήσει το μοτίβο που υπαγορεύει το βαρυτόνιο με μάζα ή χωρίς μάζα. Αν η διάρκεια ζωής μας (και η υπομονή και αφοσίωσή μας) ήταν αιώνιες, όπως το Σύμπαν, η συλλογιστική αυτή θα ήταν αψεγάδιαστη. Ευτυχώς όμως, για όντα με πεπερασμένη διάρκεια ζωής όπως εμείς, υπάρχουν περισσότερο πρακτικές εναλλακτικές.

Μια από αυτές αφορά το να εστιάσουμε στις διάφορες πολώσεις της βαρύτητας. Ένας από τους λόγους που αποδείχθηκε τόσο δύσκολο να αναπτυχθεί μια θεωρία στην οποία η βαρύτητα να διαθέτει μάζα είναι πως, ακόμα και μικρές αλλαγές στη δομή της γενικής σχετικότητας, μπορούν να καταστρέψουν τα θεμέλιά της. Oι επιπλέον πολώσεις των βαρυτικών κυμάτων που κάνουν την εμφάνισή τους όταν η βαρύτητα διαθέτει μάζα, οδηγούν σε ιδιαίτερα σοβαρές επιπλοκές για οποιαδήποτε εναλλακτική θεωρία της γενικής σχετικότητας. Για να μπορέσουμε να αναπτύξουμε μια βιώσιμη θεωρία για τη μαζική βαρύτητα, ο πρωταρχικός μας στόχος ήταν η εξασφάλιση πως τα αποκαλούμενα σωματίδια-φαντάσματα δεν μπορούσαν να κάνουν την εμφάνισή τους ξεπηδώντας αυθόρμητα από το τίποτα για να καταστρέψουν ολοκληρωτικά τη φύση της πραγματικότητας. Αυτό δεν ήταν κάτι εύκολο, όμως τώρα που έχουμε επινοήσει ένα μοντέλο που έχει ξεφορτωθεί οριστικά τα φαντάσματα, μπορούμε να στρέψουμε την προσοχή μας στις εναπομείνασες τρεις πολώσεις που υφίστανται στη μαζική βαρύτητα, πέραν των δύο που είναι ήδη παρούσες στη γενική σχετικότητα. Δύο από αυτές, που αποκαλούνται πολώσεις 1, είναι σχετικά αβλαβείς, επειδή είναι δύσκολο να τις αφυπνίσουμε και να παρατηρήσουμε τα αποτελέσματά τους. Είναι αδρανείς και απρόσιτες στη συντριπτική πλειονότητα των περιβαλλόντων που συναντώνται στο Σύμπαν μας. Η τρίτη επιπλέον πόλωση, η «βαθμωτή πόλωση», από την άλλη, έχει από μόνη της μια πραγματικά δική της ζωή. Αυτή η πόλωση συχνά αποκαλείται «pi» και υποδεικνύεται με το σύμβολο π, επειδή η κατανόησή μας γι’ αυτή είναι στενά συνδεδεμένη με ένα είδος υποατομικών σωματιδίων, γνωστά ως πιόνια (εξου και το π), που λειτουργούν ως διαμεσολαβητές της ισχυρής πυρηνικής δύναμης στο εσωτερικό των πυρήνων των ατόμων.

Το πεδίο π είναι γνήσια βαρυτικό. Αυτή η πόλωση αλληλεπιδρά με μη σχετικιστική ύλη, όπως άστρα, πλανήτες, σκοτεινή ύλη και ούτω καθεξής, αλλά όχι άμεσα με το φως ή άλλα σχετικιστικά σωματίδια.⁽²⁾ Αυτό σημαίνει ότι, αν κοιτάξουμε τον τρόπο με τον οποίο το φως καμπυλώνεται από τη βαρύτητα, θα καταλήξουμε στο ίδιο αποτέλεσμα στο πλαίσιο της μαζικής βαρύτητας μ’ εκείνο της γενικής σχετικότητας (με μόνη εξαίρεση ορισμένες μικρές διορθώσεις εξαιτίας της μάζας του βαρυτονίου), επειδή το πεδίο π δεν έχει άμεση επιρροή στο φως. Παρ’ όλα αυτά, αν αναλογιστούμε δύο αντικείμενα με μάζα, όπως τη Σελήνη που περιστρέφεται γύρω από τη Γη, τα αποτελέσματα θα διαφέρουν από εκείνα που προκύπτουν από τον επιπλέον όγκο που προέρχεται από αυτό το νέο πεδίο π. Συχνά αναφερόμαστε σε αυτήν την επιρροή ως μια πέμπτη δύναμη, επειδή είναι κάτι το διαφορετικό από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις (γενική σχετικότητα, ηλεκτρομαγνητισμός, ασθενής πυρηνική και ισχυρή πυρηνική). Η πέμπτη δύναμη από το πεδίο π που δημιουργείται στο δικό μας ηλιακό σύστημα μας παρέχει ήδη έναν από τους καλύτερους περιορισμούς που υπάρχουν για τη μάζα του βαρυτονίου, και αυτός είναι και ο λόγος για την αναζήτησή του π στον ουρανό μας.

Αν η μάζα του βαρυτονίου είναι σχεδόν μηδενική, τότε η πόλωση π ή βαθμωτή πόλωση στην ουσία ζει τη δική της αποκομμένη ζωή, σαν ερημίτης που δεν έχει κανέναν αντίκτυπο πάνω μας. Στην επιστημονική διάλεκτο, λέμε πως το πεδίο είναι αποζευγμένο. Ο μηχανισμός με τον οποίο συμβαίνει αυτό προτάθηκε για πρώτη φορά από τον θεωρητικό φυσικό Αρκάντι Βαϊνστάιν το 1972. Χρειάστηκαν σχεδόν 30 χρόνια για να καταστεί πιο ακριβές το εγχείρημά του, όμως το 2001 οι Σέντρικ Ντεφαγιέ, Τζία Ντβάλι, Γκρέγκορι Γκαμπαντάτζε και Αρκάντι Βαϊνστάιν απέδειξαν επιτυχώς πως αυτή η αποκαλούμενη απόσβεση μπορεί να πραγματοποιηθεί στο πλαίσιο των τροποποιήσεων στη βαρύτητα που προκύπτουν ως αποτέλεσμα των επιπλέον διαστάσεων· τα ίδια επιχειρήματα ισχύουν και στο μοντέλο μας για τη μαζική βαρύτητα. Οι εν λόγω ερευνητές ανακάλυψαν πως για αρκετά μικρές τιμές της μάζας του βαρυτονίου, αυτή η πόλωση π είναι τόσο απασχολημένη με τα δικά της παιχνίδια, αλληλεπιδρώντας ισχυρά με τον εαυτό της, που δεν έχει τη δύναμη να μας ενοχλήσει. Όταν το βαρυτόνιο είναι πολύ ελαφρύ, σχεδόν χωρίς καθόλου μάζα, το αποτέλεσμα είναι, λοιπόν, αντίστοιχο αυτού που συναντούμε στη γενική σχετικότητα. Ωστόσο, όταν η μάζα του βαρυτονίου δεν είναι ολότελα αμελητέα, αναμένουμε ότι τα ανεπαίσθητα αποτελέσματα αυτής της πόλωσης ίσως είναι δυνατό να εντοπιστούν με τις σημερινές μας παρατηρήσεις παράγοντας χαρακτηριστικές πειραματικές υπογραφές.

Ένα πιθανό σημάδι είναι μια διόρθωση στο πάλσαρ Χαλς–Τέιλορ. Περιστρεφόμενα ολοένα γρήγορα γύρω από το άλλο, αυτά τα δύο άστρα λάμπουν με ακόμα περισσότερο βαρύφως απ’ ό,τι φως και η απώλεια ενέργειάς τους ήταν η πρώτη αδιαμφισβήτητη επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων. Αν η βαρύτητα διέθετε μάζα, όπως αποδεικνύεται, το βαρύφως θα είχε περισσότερες γεύσεις απ’ όσες έχει στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας. Αυτό το νέο είδος βαρύφωτος, ή κύμα π, επιτρέπει στα άστρα να λάμπουν ακόμα πιο έντονα (μέσω του βαρύφωτος, όχι του φωτός), κάτι που προσφέρει, θεωρητικά, έναν τρόπο καθορισμού τού αν το βαρυτόνιο έχει μάζα. Παρ’ όλα αυτά, οι Άντριου Μάτας, Άντριου Τόλεϊ, Ντάνιελ Γκούντβέιλ και εγώ μπορέσαμε να δείξουμε ότι, στην πράξη, αυτή η νέα λάμψη είναι πολύ αμυδρή, εκτός και αν η μάζα του βαρυτονίου είναι επαρκώς μεγάλη. Για μια μάζα βαρυτονίου της τάξης που έχουμε κατά νου, το αποτέλεσμα αυτής της νέας πόλωσης θα είναι μη ανιχνεύσιμο μέσω δυαδικών πάλσαρ. Όμως, στο σύστημα Γης–Σελήνης, αν και ο αντίκτυπος αυτού του βαρύφωτος γεύσης π είναι ακόμα μικρότερος, μπορούμε να μετρήσουμε τι συμβαίνει με εκπληκτική ακρίβεια, και ο βαθμός αυτός ακρίβειας είναι που μας προσφέρει έναν από τους καλύτερους περιορισμούς για τη μάζα του βαρυτονίου. Όμως, τι εννοούμε ακριβώς όταν λέμε να «μετρήσουμε τι συμβαίνει στο σύστημα Γης–Σελήνης»;

Κατά τη διάρκεια των αποστολών Απόλλων 11, 14 και 15, μια σειρά από κάτοπτρα τοποθετήθηκαν στην επιφάνεια της Σελήνης. Εκπέμποντας φως λέιζερ από τη Γη σε αυτά τα κάτοπτρα και παρατηρώντας την ανάκλασή τους, μπορούμε να εντοπίζουμε τη θέση της Σελήνης με απόκλιση της τάξης του 1,1 mm, βαθμός ακρίβειας μεγαλύτερος των 11 τάξεων μεγέθους. Αυτό το πείραμα, που ονομάζεται Μέτρηση Απόστασης Σελήνης με Λέιζερ (Lunar Laser Ranging – LLR) είναι ένα από τα ισχυρότερα σημεία αναφοράς για τη βαρύτητα μέχρι σήμερα⁽³⁾. Για να επιτευχθεί τέτοιος βαθμός ακρίβειας, πρέπει κανείς να λάβει υπόψη του όχι μόνο την καθυστέρηση του φωτός, καθώς διασχίζει τη δική μας ατμόσφαιρα, αλλά και τη μορφολογία της Γης, όπως επίσης και την ταχύτητα της Σελήνης και τις συστολές Λόρεντζ που υπονοεί. Για να επιτύχουμε ένα σημαντικά υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ασύλληπτα ανεπαίσθητα φαινόμενα, όπως τα φύλλα που βγαίνουν στα δέντρα την άνοιξη και πέφτουν στο έδαφος το φθινόπωρο. Ακόμα και μεταβολές στο κλίμα προκαλούν αλλαγές στην κατανομή της μάζας στη Γη, που επηρεάζει με τη σειρά της την ακριβή βαρυτική έλξη ανάμεσα στη Γη και τη Σελήνη.

Η αποστολή LLR μας έχει προσφέρει μια εκπληκτική ακριβή εικόνα για τη βαρυτική έλξη Γης-Σελήνης. Μέχρι στιγμής δεν έχει εντοπιστεί κανένα φαινόμενο π-γεύσης. Αυτό που έχουμε παρατηρήσει βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με τη γενική σχετικότητα, σε επίπεδο ακρίβειας 11 τάξεων μεγέθους. Ως εκ τούτου, αν η βαρύτητα διέθετα μάζα και η νέα της π-γεύση βρισκόταν στον ουρανό, θα έπρεπε να εξασφαλίσουμε ότι η επιρροή της στο σύστημα Γης-Σελήνης θα ήταν τουλάχιστον 11 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή των άλλων συγγενών της (οι πολώσεις και που συναντώνται στη γενική σχετικότητα). Yποθέτοντας πως η θεωρία είναι αξιόπιστη σε εκείνο το επίπεδο και λαμβάνοντας υπόψη μας τα παραπάνω, καταλήγουμε σε ορισμένους από τους συμπαγείς, μέχρι, σήμερα περιορισμούς για τη μάζα του βαρυτονίου που την εξαναγκάζουν να είναι μικρότερη από 10^-30 eV. H τιμή αυτή είναι αναμφίβολα μικρή, όμως παραμένει μέσα στο εύρος που ενδιαφέρει την κοσμολογία. Το γεγονός ότι, παρατηρώντας μόνο την κίνηση της Σελήνης, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα τη μοίρα ολόκληρου του Σύμπαντος, της επιταχυνόμενης διαστολής του και του ωκεανού των κβαντικών διακυμάνσεων, τόσο από κάθε γνωστό σωματίδιο αλλά ακόμα και από αυτά που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμα.

απόσπασμα από το βιβλίο της Claudia de Rham «Η γοητεία της πτώσης», μετάφραση Θ. Χαλκιάς, εκδόσεις Ροπή

(1) «pi in the sky» : λογοπαίγνιο με τη φράση «eye in the sky» (μάτι στον ουρανό) που αναφέρεται στις κάμερες των κλειστών κυκλωμάτων τηλεόρασης και των ελικοπτέρων της τροχαίας, αλλά και στην γενικότερη ιδέα μιας αθέατης δύναμης που μας παρατηρεί από ψηλά. Η φράση έγινε δημοφιλής από το ομώνυμο τραγούδι του μουσικού συγκροτήματος The Alan Parsons Project. Το π στον τίτλο σχετίζεται με μια επιπλέον πόλωση της βαρύτητας και όχι με τον αριθμό π(=3,14…) που σήμερα έχει την ονομαστική του εορτή.

(2) Με τον χαρακτηρισμό «μη σχετικιστική» ύλη, εννοούμε αντικείμενα ή σωματίδια με μάζα των οποίων η ταχύτητα είναι μικρή σε σύγκριση με εκείνη του φωτός. Τα «σχετικιστικά» σωματίδια έχουν ταχύτητα τέτοια που προσεγγίζει εκείνη του φωτός.

(3) Πλέον, έχουμε επινοήσει ακόμα πιο ευαίσθητα πειράματα για την αρχή της ισοδυναμίας. Για παράδειγμα, η διαστημική αποστολή MICROSCOPE έχει τέτοιο βαθμό ευαισθησίας που μπορεί να ανιχνεύσει τη μεταβολή στον ρυθμό επιτάχυνσης ανάμεσα σε δύο άτομα που θα μπορούσε, για παράδειγμα, να έχει προκληθεί από μια πέμπτη δύναμη ή από μια πραγματική διαφορά διαφορά ανάμεσα στις βαρυτικές και αδρανειακές τους μάζες. Ο μικροδορυφόρος MICROSCOPE επιτυγχάνει έναν βαθμό ευαισθησίας περίπου ίσο με 10^-15, όμως ο αντίκτυπος της πόλωσης σε αυτό το περιβάλλον θα ήταν δυσκολότερο να εντοπιστεί απ’ ό,τι στο σύστημα Γης–Σελήνης του LLR.

Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΒΑΡΥΤΗΤΑ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΜΟΥΣΙΚΗ, ΣΥΜΠΑΝ

Ετικέτες: π, πι, ΤΟ ΒΙΒΛΙΟ ΤΗΣ ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ, PHYSICS