Είμαστε ένα από τα πολλά σύμπαντα? Ο φυσικός Robert Jaffe του MIT απαντά “Ναι” !

Η σύγχρονη κοσμολογία θεωρεί ότι το σύμπαν μας μπορεί να είναι μόνο ένα από τα πολλά σύμπαντα, μέσα στο πολυσύμπαν. Ο φυσικός Alan Guth του MIT έχει μάλιστα προτείνει ότι νέα σύμπαντα (γνωστά ως “σύμπαντα τσέπης”) δημιουργούνται συνεχώς, αλλά είναι αθέατα από το σύμπαν μας.

Κατά την άποψη αυτή, “το κάθε σύμπαν είναι ένα πείραμα που επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά, και κάθε φορά με ελαφρώς

διαφορετικούς φυσικούς νόμους, ή ακόμα και με πολύ διαφορετικoύς φυσικούς νόμους”, λέει ο φυσικός του MIT Robert Jaffe.

Ο απλούστερος τύπος παράλληλου σύμπαντος είναι απλά μια περιοχή του χώρου, η οποία βρίσκεται πολύ μακριά μας για να την έχουμε δει μέχρι τώρα. Το πιο μακρινό σημείο που μπορούμε να δούμε σήμερα βρίσκεται σε απόσταση 4X10²⁶ μέτρα ή 42 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Είναι η απόσταση που πρόλαβε να ταξιδέψει το φως από τη στιγμή που άρχισε το Big Bang. Η απόσταση αυτή είναι μεγαλύτερη από 14 δισεκατομμύρια έτη φωτός, διότι η κοσμική διαστολή έχει μεγαλώσει τις αποστάσεις

Μερικά από αυτά τα σύμπαντα θα κατέρρεαν λίγες στιγμές μετά το σχηματισμό τους. Σε κάποια άλλα, οι δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων θα ήταν τόσο ασθενικές, που δεν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν άτομα ή μόρια. Ωστόσο, αν οι συνθήκες ήταν κατάλληλες, η ύλη θα μπορούσε να σχηματίσει γαλαξίες, άστρα και πλανήτες, και αν το σωστά στοιχεία ήταν παρόντα σε αυτούς τους κόσμους, τότε θα μπορούσε να εξελιχθεί μια ευφυής ζωή.

Κάποιοι φυσικοί έχουν υποθέσει ότι μόνο σύμπαντα στα οποία οι νόμοι της φυσικής θα είναι "ακριβώς όπως πρέπει" θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη ζωή, και ότι, αν τα πράγματα ήταν ακόμη και πολύ λίγο διαφορετικά από τον κόσμο μας, η ευφυής ζωή θα ήταν αδύνατη. Σε αυτή την περίπτωση, οι φυσικοί νόμοι θα μπορούσαν να εξηγηθούν "ανθρωπικά", που σημαίνει ότι είναι ως έχουν, διότι αν ήταν αλλιώς, κανείς δεν θα ήταν εκεί για να τους παρατηρήσει.

Ο καθηγητής της φυσικής στο MIT Robert Jaffe και οι συνεργάτες του θεώρησαν ότι αυτή η προτεινόμενη ανθρωπική εξήγηση θα έπρεπε να υποστεί μια πιο προσεκτική εξέταση, και αποφάσισε να διερευνήσει κατά πόσον σύμπαντα με διαφορετικούς νόμους της φυσικής θα μπορούσαν να υποστηρίξουν κάποια μορφή ζωής.

Οργανική Χημεία

Οι φυσικοί στο MIT έδειξαν ότι σύμπαντα εντελώς διαφορετικά από το δικό μας εξακολουθούν να έχουν στοιχεία παρόμοια με τον άνθρακα, το υδρογόνο και το οξυγόνο, και θα μπορούσαν να εξελιχθούν ως εκ τούτου μορφές ζωής που να είναι αρκετά παρόμοιες με εμάς, ακόμα και όταν οι μάζες των πιο στοιχειωδών σωματιδίων, τα κουάρκ, είναι δραματικά διαφορετικά.

Η άποψη τους είναι αντίθετη από τις περισσότερες άλλες μελέτες, στις οποίες ακόμα και μόνο μία σταθερά να άλλαζε θα παρήγαγε ένα αφιλόξενο σύμπαν, εξετάζοντας όχι μία αλλά περισσότερες από μία σταθερές.

"Θα μπορούσατε να τις αλλάξετε σημαντικά χωρίς να καταργήσετε την δυνατότητα της οργανικής χημείας στο σύμπαν”, λέει ο Jenkins.

Αν και μπορεί να υπάρχουν παράξενες μορφές ζωής σε σύμπαντα διαφορετικά από το δικό μας, ο Jaffe και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να επικεντρωθούν στην ζωή που βασίζεται στη χημεία του άνθρακα. Αυτοί όρισαν ως «συμπαθή για τη ζωή» εκείνα τα σύμπαντα στα οποία θα υπήρχαν σταθερές μορφές υδρογόνου, άνθρακα και οξυγόνου .

"Εάν δεν έχετε μια σταθερή οντότητα με τη χημεία του υδρογόνου, δεν πρόκειται να έχουμε υδρογονάνθρακες, ή σύνθετους υδατάνθρακες, και δεν πρόκειται βεβαίως να έχουμε ζωή”, πιστεύει ο Jaffe. "Το ίδιο ισχύει και για τον άνθρακα και το οξυγόνο. Πέρα από αυτά τα τρία αισθανθήκαμε πως τα υπόλοιπα είναι λεπτομέρειες. "

Αλλαγή στις μάζες των κουάρκ

Αυτοί λοιπόν έθεσαν ως στόχο να δούνε τι μπορεί να συμβεί με αυτά τα στοιχεία, εάν μεταβληθούν οι μάζες των κουάρκ. Υπάρχουν έξι τύποι κουάρκ, τα οποία είναι οι δομικές μονάδες των νετρονίων και πρωτονίων. Η ομάδα του MIT επικεντρώθηκε στο "πάνω", "κάτω" και το "παράξενο" κουάρκ, τα πιο κοινά και ελαφρύτερα κουάρκ, τα οποία ενώνονται για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια και τα οποία συνδέονται στενά με τα σωματίδια που ονομάζονται υπερόνια (στοιχειώδη σωματίδια με ένα ή περισσότερα παράξενα κουάρκ).

Στο σύμπαν μας, το κάτω κουάρκ έχει περίπου διπλάσιο βάρος από το πάνω κουάρκ, με αποτέλεσμα τα νετρόνια να είναι 0,1% πιο βαριά από τα πρωτόνια. Ο Jaffe έκανε το μοντέλο μιας οικογένειας συμπάντων στα οποία το κάτω κουάρκ ήταν ελαφρύτερο από το πάνω κουάρκ, και τα πρωτόνια ήταν μέχρι 1% βαρύτερα από τα νετρόνια. Σε αυτό το σενάριο, το υδρογόνο δεν θα είναι πλέον σταθερό, αλλά τα ελαφρώς βαρύτερα ισότοπά του, το δευτέριο και το τρίτιο, θα μπορούσαν να είναι. Ένα ισότοπο του άνθρακα γνωστό ως άνθρακας-14 θα είναι σταθερό, όπως και μια μορφή του οξυγόνου, κι έτσι θα ήταν δυνατές οι απαραίτητες για τη ζωή οργανικές αντιδράσεις.

Η ομάδα του MIT βρήκε μερικά άλλα “συμπαθή σύμπαντα”, συμπεριλαμβανομένης μιας οικογένειας, όπου το πάνω και το παράξενο κουάρκ έχουν περίπου την ίδια μάζα (στο σύμπαν μας, τα παράξενα κουάρκ είναι πολύ βαρύτερα και μπορεί να παραχθούν μόνο σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας), ενώ το κάτω κουάρκ θα να είναι πολύ ελαφρύτερο. Σε ένα τέτοιο σύμπαν, οι πυρήνες θα είναι κατασκευασμένοι από νετρόνια και ένα υπερόνιο, που ονομάζεται "σίγμα μείον", και το οποίο θα αντικαταστήσει τα πρωτόνια.

Ο Jaffe επικεντρώθηκε στα κουάρκς, επειδή γνωρίζει αρκετά καλά τις αλληλεπιδράσεις των κουάρκ οπότε μπορεί να προβλέψει τι θα συμβεί όταν αλλάξει τις μάζες τους. Ωστόσο, «οποιαδήποτε προσπάθεια να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα σε ένα ευρύτερο πλαίσιο θα είναι πολύ δύσκολο», προειδοποιεί ο Jaffe, επειδή οι φυσικοί έχουν μια περιορισμένη δυνατότητα να προβλέψουν τις συνέπειες της αλλαγής στους περισσότερους άλλους φυσικούς νόμους και σταθερές.

Μια άλλη ομάδα ερευνητών στο Εργαστήριο Lawrence στο Μπέρκλεϋ έχει κάνει σχετικές μελέτες που εξετάζουν το κατά πόσο θα μπορούσαν να προκύψουν συμπαθή σύμπαντα ακόμα και αν λείπει μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος – η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία επιτρέπει τις αντιδράσεις που μετατρέπουν τα νετρόνια σε πρωτόνια και το αντίστροφο . Οι ερευνητές έδειξαν ότι κάποιες μικροαλλαγές στις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις θα μπορούσαν να αντισταθμίσουν την ελλείπουσα ασθενή πυρηνική δύναμη, άρα να επιτρέπουν να διαμορφωθούν σταθερά στοιχεία.

Η μελέτη των φυσικών στο MIT είναι διαφορετική από τις περισσότερες άλλες μελέτες στον τομέα αυτό κατά το ότι αυτοί εξέτασαν αλλαγές σε περισσότερες από μία σταθερές. Οι άλλες ομάδες εξέταζαν αλλαγή σε μόνο μία σταθερά, που συνήθως παράγει ένα αφιλόξενο σύμπαν, κάτι το οποίο μπορεί να οδηγήσει στο εσφαλμένο συμπέρασμα ότι δεν γίνεται να δημιουργηθεί οποιοδήποτε άλλο συμπαθές σύμπαν, είναι δηλαδή αδύνατη η ύπαρξη άλλου σύμπαντος.

Είναι δυνατή η αλλαγή στην κοσμολογική σταθερά;
Μια φυσική παράμετρος που φαίνεται να είναι πάρα πολύ συντονισμένη είναι η κοσμολογική σταθερά – ένα μέτρο της πίεσης που ασκείται από τον κενό χώρο, που αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται. Όταν η σταθερά είναι θετική, ο χώρος διαστέλλεται, όταν είναι αρνητική, το σύμπαν καταρρέει στον εαυτό του. Στο σύμπαν μας, η κοσμολογική σταθερά είναι θετική, αλλά πολύ μικρή – μια λίγο μεγαλύτερη τιμή θα μπορούσε να αναγκάσει το σύμπαν να διαστέλλεται πάρα πολύ γρήγορα, οπότε δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν γαλαξίες. Ωστόσο, ο Wise και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι είναι θεωρητικά πιθανό ότι αλλαγές στις αρχέγονες κοσμολογικές διαταραχές της πυκνότητας, θα μπορούσαν να αντισταθμίσουν μικρές τουλάχιστον αλλαγές στην τιμή της κοσμολογικής σταθεράς.
Στο τέλος-τέλος, δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε με βεβαιότητα τι άλλα σύμπαντα βρίσκονται εκεί έξω, τι ζωή μπορεί να έχουν. Αλλά αυτό πιθανώς δεν θα σταματήσει τους φυσικούς από την διερεύνηση των πιθανοτήτων, και σε αυτή την διαδικασία να μάθουν περισσότερα για το δικό μας σύμπαν.

physics4u.wordpress.com