6. Σύγχρονες ΘΕΩΡΙΕΣ

6.    ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΘΕΩΡΙΕΣ

6.1. Η φύση και οι 4 δυνάμεις της

Σήμερα γνωρίζουμε ότι υπάρχουν 4 τύποι φυσικών αλληλεπιδράσεων και είναι οι ακόλουθες:

α) η ηλεκτρομαγνητική (που ασκείται ανάμεσα σε σώματα που φέρουν ηλεκτρικό πεδίο),

β) η ασθενής πυρηνική (που συγκρατεί τα άτομα και υπαγορεύει την ραδιενεργό διάσπαση),

γ) η ισχυρή πυρηνική (που συγκρατεί τα υποατομικά σωματίδια) και

δ) η βαρυτική (που ασκείται μεταξύ μαζών).

Για να αντιληφθούμε την διαφορά μεταξύ των δυνάμεων αυτών, αν στην βαρυτική δύναμη αποδώσουμε τιμή 1, τότε η ασθενής θα έχει τιμή 10²⁸, η ηλεκτρομαγνητική 10³⁸, ενώ η ισχυρή 10⁴⁰.

Η σύγχρονη φυσική εξηγεί όλες τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων ως ανταλλαγή κάποιων άλλων σωματιδίων, τα οποία είναι, αντίστοιχα, φορείς αυτών των συγκεκριμένων αλληλεπιδράσεων, δηλαδή:

α) τα φωτόνια,

β) τα μποζόνια W⁺ W^- και Z⁰,

γ) τα γ(κ)λουόνια και

δ) το βαρυτόνιο (υποθετικό σωματίδιο).

6.2. Η ενοποίηση των φυσικών δυνάμεων

Οι φυσικές αυτές δυνάμεις παρουσιάζονται ως ανεξάρτητες μόνο στις σχετικά χαμηλές ενέργειες, ενώ ενώνονται σε μία αλληλεπίδραση στις υψηλές ενέργειες, δηλαδή:

α) σε ενέργεια 10² GeV με αντίστοιχη θερμοκρασία 10¹⁵ Κ ενοποιούνται οι δύο πρώτες,

β) σε 10¹⁴ GeV με θερμοκρασία 10²⁷ Κ γίνεται η «μεγάλη ενοποίηση» των τριων πρώτων, ενώ

γ) σε 10¹⁹ GeV με θερμοκρασία 10³² Κ αναμένεται να ενοποιηθεί και η βαρυτική επίδραση με τις άλλες τρεις στην λεγόμενη «υπερενοποίηση».

6.3. Η Ενοποιημένη Θεωρία πεδίου

Για να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ της βαρύτητας και των άλλων φυσικών δυνάμεων, ο Αϊνστάιν ήλπιζε να κατασκευάσει μια ενοποιημένη θεωρία πεδίων όλων των φυσικών αλληλεπιδράσεων. Έτσι, κατά τα τελευταία τριάντα χρόνια της ζωής του αναζήτησε, χωρίς επιτυχία, την λεγόμενη Ενοποιημένη Θεωρία πεδίου, η οποία συνδυάζει την γενική σχετικότητα όχι με την κβαντική μηχανική αλλά με την θεωρία του φωτός και συγκεκριμένα με τον ηλεκτρομαγνητισμό.

6.4. Η Θεωρία Καλούτσα-Κλάιν και ο 5-διάστατος χωρόχρονος

Μια τέτοια κομψή θεωρία διατυπώθηκε το 1919 από τους μαθηματικούς Καλούτσα και Κλάιν, Πολωνό και Σουηδό αντίστοιχα, όπου οι εξισώσεις απαιτούσαν έναν πενταδιάστατο χωρόχρονο. Αυτή η πέμπτη διάσταση δεν εκτείνεται σε ευθεία γραμμή αλλά είναι κουβαριασμένη στον εαυτό της σε έναν κύκλο τόσο μικροσκοπικό, δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από ένα άτομο. Το φως τώρα αντί να είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ταλαντούμενο στον τρισδιάστατο χώρο, είναι στην πραγματικότητα εδώ μια ταλάντωση αυτής της διάστασης. Επιχειρεί, δηλαδή, να εξηγήσει την προέλευση του φωτός σε ένα πιο θεμελιώδες γεωμετρικό επίπεδο, όπως έκανε ο Αϊνστάιν με την καμπυλότητα της βαρύτητας στον τετραδιάστατο χωρόχρονο.

6.5. Η Θεωρία των πάντων

Όταν αργότερα, στα τέλη της δεκαετίας του 1970, αναζητήθηκε η Θεωρία των πάντων, η οποία θα έδειχνε ότι και οι τέσσερις δυνάμεις της φύσης αποτελούν πτυχές της μιας και μόνης υπερδύναμης, χρησιμοποιήθηκε ως βάση ο ευφυής τρόπος ενοποίησης της θεωρίας Καλούτσα-Κλάιν.

Έτσι, η θεωρία των Αμερικανών Γκλάσοου, Γουάινμπεργκ και του Πακιστανού Σαλάμ πρότειναν το 1967 την ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε μία δύναμη, την ηλεκτρασθενή, η οποία επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1983 στο κέντρο ερευνών CERN. Παράλληλα, η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μέσω της ισχυρής δύναμης είναι η κβαντική χρωματοδυναμική. Νέες θεωρίες, επίσης, όπως οι μεγαλειώδεις ενοποιημένες θεωρίες, προσπαθούν να συζεύξουν την κβαντική χρωματοδυναμική με τις ηλεκτρασθενείς δυνάμεις.

Εντούτοις ο δρόμος είναι πολύ μακρύς ακόμα για την ενοποίηση και των τεσσάρων δυνάμεων. Μέχρις ενός σημείου η δυσκολία βρίσκεται στο γεγονός ότι θεωρούμε την βαρύτητα ως φαινόμενο της γεωμετρίας του χωρόχρονου παρά ως μια δύναμη σαν τις άλλες τρεις. Από την άλλη πλευρά υπάρχει και η δυσκολία στην εξακρίβωση των κβαντικών επιδράσεών της, επειδή στην κλίμακα των σωματιδίων η βαρύτητα είναι εξαιρετικά ασθενής για να μπορέσει κανείς να την μελετήσει.

6.6. Οι συμμετρικοί νόμοι

Και ενώ αρχικά φαινόταν εύκολη η μελέτη της οργάνωσης των στοιχειωδών σωματιδίων, καθώς αναγνωρίζονταν μόνο τρία τέτοια σωματίδια (το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο), σύντομα οι φυσικοί ανακάλυψαν εκατοντάδες άλλα εξίσου στοιχειώδη (φωτόνια, νετρίνα, καόνια, μιόνια, πιόνια κλπ.), πράγμα καθόλου ευχάριστο. Οι φυσικοί προσέθεσαν ένα πλήθος από αρχές συμμετρίας που περιορίζουν τους νόμους της κβαντο-μηχανικής με τον ίδιο τρόπο που οι συμμετρίες του χωρόχρονου περιορίζουν την σχετικότητα. Ορισμένες από αυτές είναι άμεσα κατανοητές: κατοπτρική ανάκλαση, χρονική αναστροφή ή ανάκλαση, συζυγία φορτίου ή ομοτιμία (εναλλαγή θετικών ηλεκτρικών φορτίων με αρνητικά). Άλλες, όμως, βρίσκουν έκφραση μόνο στα μαθηματικά του κβαντικού κόσμου.

Το 1962 οι φυσικοί Γκελ-Μαν και Νέεμαν, Αμερικανός και Ισραηλινός αντίστοιχα, ανακάλυψαν ότι μια υποκατηγορία των στοιχειωδών σωματιδίων που εκδηλώνουν ισχυρές αλληλεπιδράσεις και λέγονται αδρόνια (στα οποία ανήκουν τα νουκλεόνια, δηλ. τα πρωτόνια και τα νετρόνια), διέθεταν μια πανέμορφη εσωτερική συμμετρία. Μετασχηματίζοντας τις μαθηματικές εξισώσεις που αναπαριστούν αυτά τα σωματίδια σύμφωνα με κάποιες συμμετρίες γνωστές ως SU(3), για παράδειγμα, μπορούμε ουσιαστικά να «περιστρέψουμε» ένα πρωτόνιο σε νετρόνιο, δηλαδή να μετατρέψουμε τις εξισώσεις του πρωτονίου σε εκείνες του νετρονίου. Η φύση έτσι απέκτησε μια βαθιά και εξωτική δομή, στην οποία ακόμη και οι ταυτότητες των σωματιδίων επιδέχονται εναλλαγή.

6.7. Η έσχατη δομή της ύλης: κουάρκς και λεπτόνια

Μια από τις συνέπειες όλων αυτών των θεωριών είναι πως το πρωτόνιο διασπάται σε χρόνο 10³² έτη, μια χρονική περίοδος πολύ μεγαλύτερη από την ηλικία του σύμπαντος. Ίσως η διάσπασή του επηρεάζεται από την παρουσία μαγνητικών μονόπολων (βλ. κεφ. 3.18), αλλά υπάρχουν τέτοια μονόπολα; Η δομή της ύλης φαίνεται να είναι διαφορετική από ό,τι ξέραμε πριν. Η αφθονία των σωματίων κάνει την ταξινόμησή τους μια μάλλον περίπλοκη υπόθεση, που συνήθως βασίζεται στις αλληλεπιδράσεις. Σε κάθε σωμάτιο αντιστοιχεί ένα αντισωμάτιο.

Πρώτος ο Γκάμπριελ Βενετσιάνο με την θεωρία του Καθιερωμένου Μοντέλου ανακάλυψε το 1960 έναν τρόπο να περιγράψει μαθηματικά την συμπεριφορά του πολλαπλασιασμού των σωματιδίων που παράγονταν στους επιταχυντές μέσω ενός μαθηματικού τύπου που αποδείχθηκε έπειτα ότι αντιστοιχεί σε αλληλεπιδράσεις μονοδιάστατων οντοτήτων, δηλαδή των κουάρκς. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, λοιπόν, δεν είναι πλέον στοιχειώδη, καθώς αποτελούνται από κουάρκς, τα οποία έχουν ως φορτίο τους ένα κλάσμα του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου, δεν έχουν εσωτερική δομή και δεν εμφανίζονται ποτέ ελεύθερα αλλά πάντα σε ομάδες με άλλα κουάρκς, ώστε το τελικό τους σύνολο, δηλ. τα αδρόνια, να εμφανίζει πάντα ακέραιο αριθμό ηλεκτρικού φορτίου. Ως τώρα έχουν επισημανθεί έξι υποψήφια είδη και χωρίζονται σε 3 ζεύγη (up - down, charm - strange, top - bottom).

Επίσης, υπάρχουν σωματίδια που δεν συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, τα λεπτόνια, τα οποία δεν αποτελούν συστατικό άλλων σωματίων, δεν δομούνται από άλλα σωματίδια και υπάρχουν μόνα τους έστω και για λίγο χρονικό διάστημα (σε αντίθεση με τα κουάρκς που δεν εμφανίζονται ποτέ μόνα τους). Είναι συνολικά μόνον 6 και από αυτά τα τρία έχουν αρνητικό φορτίο: ηλεκτρόνιο (e), μιόνιο (μ), ταυ (τ), ενώ τα άλλα τρία είναι τα αντίστοιχα νετρίνα (ν_e, ν_μ, ν_τ).

Σήμερα, λοιπόν, πιστεύεται ότι τα 6 κουάρκς  μαζί με τα 6 λεπτόνια, καθώς και τα αντίστοιχα αντισωματίδιά τους, είναι τα βασικά δομικά συστατικά της ύλης. Ενεργούν ως σημειακές πηγές πεδίων δυνάμεων και δεν υπάρχει προς το παρόν ένδειξη ότι αυτά τα σωματίδια μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω, αλλά είναι άτμητα (όπως π.χ. άτμητο είναι το ηλεκτρόνιο) και αποτελούν τα τελικά σωματίδια της ύλης.

Επομένως, στην ύλη που παρατηρούμε σήμερα υπάρχουν μόνο τα πιο σταθερά των στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή:

α) τα up και down κουάρκς (που συγκροτούν τα αδρόνια),

β) τα ηλεκτρόνια,

γ) τα νετρίνα και

δ) οι φορείς των αλληλεπιδράσεων (φωτόνια, μποζόνια, γλουόνια, βαρυτόνιο).

Βασικά σωματίδια
		Οικογένειες ύλης				Δυνάμεις
Κουάρκ	Ισχυρά	up	charm	top	Μποζόνια (φορείς δύναμης)	ηλεκτρομαγνητική	φωτόνιο	σωματίδιο Χιγκς
	Ασθενή	down	strange	bottom		ασθενής πυρηνική	μποζόνιο Ζο
Λεπτόνια	Ισχυρά	ηλεκτρόνιο	μυόνιο	ταυ			μποζόνιο W
	Ασθενή	νετρίνο ηλ.	νετρίνο μυ.	νετρίνο ταυ		ισχυρή πυρηνική	8 γλουόνια
						βαρυτική	(βαρυτόνιο)

6.8. Τα πεδία Χιγκς και η θεωρία του Πληθωρισμού

Πολλοί επιστήμονες θεωρούν ότι στην ουσία το μόνο που υπάρχει στο σύμπαν είναι τα πεδία και τα σωματίδια, τα οποία αποτελούν στην πραγματικότητα «πτυχώσεις» στην ενέργεια των πεδίων, διακυμάνσεις τους, που ανάλογα με τις ιδιότητες του κάθε πεδίου ορίζεται και το σωματίδιο, π.χ. το ηλεκτρόνιο ως διακύμανση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Υπάρχουν πεδία που λέγονται διανυσματικά και παράγουν δυνάμεις συγκεκριμένου μέτρου και κατεύθυνσης, π.χ. το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ενώ άλλα πεδία που λέγονται μονόμετρα ή βαθμωτά δεν παράγουν δυνάμεις και κάθε σημείο τους περιγράφεται από ένα μόνο αριθμό που δίνει το μέτρο τους, π.χ. ένα πεδίο θερμοκρασιών ή πιέσεων. Όταν ξεπετάχθηκε ο «μακρόκοσμος», δημιουργήθηκε κάτι απλούστερο από ένα υποατομικό σωματίδιο: ένα πεδίο μεγέθους ενός δισεκατομμυριοστού του μεγέθους ενός πρωτονίου, τόσο μικρό, ώστε από τις πρώτες στιγμές του το φως και οι πληροφορίες είχαν όλο τον χρόνο να κάνουν την ύπαρξη κάθε σημείου του γνωστή σε κάθε άλλο του σημείο, με αποτέλεσμα την υπέροχη ομοιομορφία που διατηρείται σήμερα στο σύμπαν.

Τα πεδία Χιγκς είναι μονόμετρα και έχουν παντού τιμή μηδέν, πράγμα που δεν τα εμποδίζει από το να μπορούν να έχουν μια τεράστια ενεργειακή πυκνότητα. Αν ο απλούστατος αυτός μακρόκοσμος ξεπετάχθηκε, με την λίγη ενέργεια που απαιτούσε, από ένα τέτοιο πεδίο Χιγκς, τότε η τεράστια ενεργειακή πυκνότητά του, δηλ. η ενέργεια του χώρου δια του όγκου του, έκανε όλα τα άλλα πεδία ισοδύναμα μεταξύ τους καθώς και τις δυνάμεις και τα σωματίδια. Από αυτή την άπειρα βολική απλότητα του πεδίου αυτού, αμέσως μετά την δημιουργία του μακρόκοσμου, η τάση του πεδίου Χιγκς να επεκτείνεται άρχισε να μεγαλώνει τον μακρόκοσμο ομαλά και με χαμηλούς ρυθμούς. Καθώς η ενεργειακή πυκνότητα του πεδίου μειωνόταν, απέβαινε ασταθές, αλλά μην μπορώντας να αποφασίσει, να καταλήξει, προς μια κατεύθυνση, όπως στην περίπτωση της υπερψύξης του καθαρού νερού, και να σπάσει την ομοιομορφία του, βρέθηκε στην κατάσταση του ψευδοκενού. Το ψευδοκενό έχει παράξενες ιδιότητες, καθώς έχει απωστικό βαρυτικό πεδίο, δηλ. τάση για διαστολή, ενώ όσο και αν επεκταθεί δεν αραιώνει… Διατηρώντας το πεδίο Χιγκς την τιμή μηδέν μέσα στην «αναποφασιστικότητά» του και καθώς αυξανόταν ο μακρόκοσμος με το ψευδοκενό του, τόσο μεγαλύτερη ενέργεια απαιτείτο για να γεμίσει την διαφορά. Η ενέργεια αυτή πρέπει να προήλθε από την πίεση των σωματιδίων εντός του μακρόκοσμου, η οποία ήταν αρνητική και με την σειρά της δημιούργησε αντιβαρύτητα που ώθησε το σύμπαν σε μια τρομακτική αύξηση της διαμέτρου του, τον λεγόμενο Πληθωρισμό.

Κατά την διάρκεια του Πληθωρισμού δημιουργήθηκαν μέσα στον απόλυτα ομοιογενή μακρόκοσμο μικρές «ρυτίδες» που προέρχονταν από κβαντικές διακυμάνσεις, οι σπόροι γύρω από τους οποίους η ύλη συγκεντρώθηκε και δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες και οι αστέρες. Χωρίς να γνωρίζουμε τι ήταν αυτό που σταμάτησε την θεωρητικά απείρου χρόνου πληθωριστική επέκταση του αρχικού ψευδοκενού, πάντως σε κάποια σημεία του μακρόκοσμου το ψευδοκενό άρχισε να σπάει και να δημιουργούνται φυσαλίδες πραγματικού κενού, που αποτέλεσαν το λεγόμενο αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας. Εκεί τα πεδία Χιγκς έφυγαν από την τιμή μηδέν και άρχισαν να παίρνουν τυχαίες τιμές, η βαρύτητα ξεχώρισε τότε πρώτη από τις άλλες τρεις δυνάμεις και άρχισε να επηρεάζει την μάζα έλκοντάς την να καταρρεύσει προς τον εαυτό της, πράγμα που δεν έχει καταφέρει ακόμη μετά από 15 δισεκατομμύρια χρόνια λόγω της τρομακτικής ορμής του Πληθωρισμού. Κατόπιν ξεχώρισε η ισχυρή ηλεκτρική από την ηλεκτρασθενή και αρκετά αργότερα η ηλεκτρασθενής από την ηλεκτρομαγνητική.

Ο Πληθωρισμός συνεχίσθηκε για λίγο μέσα σε αυτές τις φυσαλίδες και τερματίσθηκε ομαλά φθάνοντας από την εξωφρενική επέκταση στο ρυθμό που προβλέπει η θεωρία της Μ. Έκρηξης. Στον αρχικό μακρόκοσμο δημιουργήθηκαν πολλοί κόσμοι-φυσαλίδες με διαφορετικές αλληλεπιδράσεις και νόμους. Μια θεωρία δημιουργίας θέλει τις φυσαλίδες αυτές να μεγαλώνουν και να συγκρούονται μεταξύ τους δημιουργώντας όλο και μεγαλύτερες φυσαλίδες με αποτέλεσμα την διαμόρφωση ενός μόνου κόσμου που εξελίχθηκε στο σύμπαν μας, το οποίο είτε καλύπτει όλο τον μακρόκοσμο είτε όχι. Άλλη θεωρία θέλει το ψευδοκενό να διαστέλλεται τόσο γρήγορα, ώστε να μην μπορέσει ποτέ μια φυσαλίδα να ενωθεί με μια άλλη, με αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλά σύμπαντα, καθένα με τους δικούς του νόμους. Όταν, πάντως, ο Πληθωρισμός του μακρόκοσμου άρχισε να μειώνεται, τα πεδία Χιγκς κατάρρεαν με πολύ πιο ήπιο ρυθμό, έτσι ώστε η φυσαλίδα-κόσμος προλαβαίνει και μεγαλώνει ταχύτερα από ό,τι το σύμπαν μέσα της. Το έξω όριο, η μεμβράνη της φυσαλίδας συνεχίζει να επεκτείνεται και στα όρια τα πεδία Χιγκς καταρρέουν. Η συμμετρία των δυνάμεων του ψευδοκενού σπάει στο όριο αυτό και η ενέργειά του κληροδοτείται στον κόσμο μας, αλλά ακολουθεί την μετατόπιση του ορίζοντα και δεν διαχέεται σε αυτόν. Αυτό συμβαίνει έξω από το σύμπαν και με ταχύτερο ρυθμό από αυτόν με τον οποίο το σύμπαν επεκτείνεται, οπότε είναι κάτι που ποτέ δεν θα δει το σύμπαν και από το οποίο ποτέ δεν θα μπορεί να επηρεαστεί.

Η ενέργεια των πεδίων Χιγκς που απελευθερώθηκε γέμισε το σύμπαν με πεδία, σωματίδια και ακτινοβολία, τρία πράγματα που μπορούν κάλλιστα να αποτελούν διαφορετικές όψεις του ιδίου πράγματος. Από κάποια ιδιομορφία στα πεδία Χιγκς ή στα σωματίδια που τους αντιστοιχούν δημιουργήθηκαν ελάχιστα περισσότερα σωματίδια από αντισωματίδια, γι’ αυτό το σύμπαν είναι φτιαγμένο από ύλη και όχι από αντιύλη, και δεν υπάρχουν μόνο φωτόνια και νετρίνα να το διατρέχουν. Όταν συγκρούεται ένα σωματίδιο με το αντισωματίδιό του, τότε εξαφανίζονται και στη θέση τους δημιουργούνται δύο φωτόνια. Αντίθετα, αν δύο φωτόνια συγκρουστούν με αρκετή μεγάλη ενέργεια, τότε δημιουργούνται σωματίδια.

Κάποτε, στα 10 δεκάκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου το σύμπαν ήταν μια σούπα από φωτόνια, κουάρκς, αντικουάρκς, νετρίνα, ηλεκτρόνια, και ποζιτρόνια, γλουόνια, μποζόνια, μυόνια, ταυ, σωματίδια Χιγκς, που συγκρούονταν και μετασχηματίζονταν, αλλά και μαγνητικά μονόπολα, κοσμικές χορδές και Wimp. Η περίοδος της σούπας διήρκεσε πάρα πολύ χρόνο, 1 εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, μεγάλο γιατί αυτό αποτελούσε την ηλικία του σύμπαντος.

Σε θερμοκρασία 10 τρισεκατομμύρια βαθμούς η ενέργεια των κουάρκς δεν επαρκούσε για να τα κρατήσει μακριά το ένα από το άλλο, καθώς η ισχυρή αλληλεπίδραση τα ώθησε να ενωθούν ανά τρία και να σχηματίσουν βαρυόνια: πρωτόνια και νετρόνια, αντιπρωτόνια και αντινετρόνια. Είναι η εποχή της βαρυογένεσης. Επειδή η θερμοκρασία ήταν χαμηλή δεν μπορούσαν να σχηματισθούν κουάρκς και αντικουάρκς κατευθείαν από ακτινοβολία, και κατ’ επέκταση ζεύγη αντίθετων βαρυονίων, γι’ αυτό και τα υλικά σωματίδια ήταν περισσότερα από τα αντισωματίδιά τους, 1 προς 1 δισεκατομμύριο, και καθώς συγκρούονταν και εξαϋλώνονταν σε φωτόνια, έμεινε τελικά η περίσσεια σωματιδίων, δηλαδή 1 σε κάθε 2 δισεκατομμύρια σωματίδια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρίσκονταν σε στατιστική ισορροπία, καθώς μετατρέπονταν το ένα στο άλλο, που κατέληξε τελικά σε αναλογία 90 προς 10, ενώ 1 δευτερόλεπτο μετά σε θερμοκρασία 10 δισεκατομμύρια βαθμούς η αναλογία τους πάγωσε στο 6 προς 1.

Αργότερα, μετά από 100 δευτερόλεπτα τα τελευταία ποζιτρόνια εξαϋλώθηκαν με τα ηλεκτρόνια και παρήγαγαν περισσότερα φωτόνια, καθώς η θερμοκρασία ήταν μόνο 1 δισεκατομμύριο βαθμούς. Ταυτόχρονα, μπορούσαν πλέον να συνδυάζονται πρωτόνια και νετρόνια και να δημιουργούν πυρήνες δευτερίου, οι οποίοι σχεδόν όλοι ενώθηκαν με πρωτόνια σχηματίζοντας πυρήνες ηλίου. Είναι η εποχή της πυρηνοσύνθεσης, μια εποχή θερμικής στατιστικής ισορροπίας, η οποία κατέληξε σε μια αναλογία 75% κατά βάρος σε πυρήνες υδρογόνου και 25% σε ηλίου, ενώ το δευτέριο αποτελούσε το 30 τοις εκατομμυρίοις του υδρογόνου. Η θερμοκρασία δεν επέτρεπε ακόμα στα ηλεκτρόνια να δεσμευθούν από τους πυρήνες των ατόμων και έτσι κυκλοφορούσαν ελεύθερα στο χώρο αντιδρώντας με τα φωτόνια, τα οποία έτσι δεν μπορούσαν να απομακρυνθούν πολύ λόγω των συχνών συγκρούσεων και το σύμπαν ήταν αδιαφανές. Ένα μήνα μετά, όμως, η διαδικασία που κάνει την ενέργεια του σύμπαντος να έχει την κατανομή του μέλανος σώματος γίνεται πιο αργή από τον ρυθμό επέκτασης, με αποτέλεσμα να υπάρχει πληροφορία μέσα στην μικροκυματική ακτινοβολία.

Μετά από 10.000 χρόνια η θερμοκρασία έπεσε στους 25.000 βαθμούς, η πυκνότητα της μάζας έγινε ίση με την πυκνότητα της ακτινοβολίας και οι αρχικές κβαντικές διακυμάνσεις που δημιουργήθηκαν κατά την πληθωριστική περίοδο άρχισαν να αποτελούν περιοχές συγκέντρωσης μάζας χωρίς όμως να κάνουν κάτι δραστικό. Μετά από 300.000 χρόνια η θερμοκρασία έπεσε στους 3.000 βαθμούς Κ και τα άτομα υδρογόνου, δευτέριου και ηλίου άρχισαν να συλλαμβάνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δημιουργώντας ουδέτερα άτομα. Μόλις τα ηλεκτρόνια δεσμεύθηκαν, τα φωτόνια απελευθερώθηκαν από την ύλη και ταξίδευσαν ευθύγραμμα στο χώρο κάνοντας το σύμπαν διαφανές, ενώ το πρώτο αυτό φως έφθασε έως εμάς ως ακτινοβολία υποβάθρου. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται επανασύνδεση.

6.9. Η Θεωρία των υπερχορδών και το 10-διάστατο σύμπαν

Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, δημιουργήθηκε η πιο εξεζητημένη, πολύπλοκη, κομψή και δυσνόητη θεωρία, η λεγόμενη θεωρία των υπερχορδών. Η θεωρία αυτή κατευθύνεται από κομψές μαθηματικές συμμετρίες, όπως εκείνες που ανακάλυψαν οι Γκελ-Μαν και Νέεμαν αλλά ακόμη πιο εξωτικές. Δηλώνει ότι ζούμε σε ένα σύμπαν 10 διαστάσεων, επιτυγχάνοντας έτσι την ενοποίηση της γενικής σχετικότητας με την κβαντική μηχανική. Από αυτές οι 6 επιπλέον χωρικές διαστάσεις είναι καμπυλωμένες σε μια μικροσκοπική σφαίρα πολλών διαστάσεων την οποία δεν μπορούμε ποτέ να ανιχνεύσουμε. Τα πάντα αποτελούνται, σύμφωνα με αυτήν, από μικροσκοπικές χορδές, που είναι σαν τα σωματίδια αλλά μοιάζουν με καμπύλες αντί για σημεία, οι οποίες ταλαντώνονται σε αυτές τις δέκα διαστάσεις.

Οι φυσικοί, λοιπόν, σήμερα φαίνεται ότι εγκαταλείπουν την παλιά τους αγάπη, τα σωματίδια, και ενδιαφέρονται πολύ για τις υπερχορδές. Ο κόσμος είναι φτιαγμένος από μονοδιάστατες οντότητες-γραμμές που σχηματίζουν βρόγχους σε τάξη μεγέθους Πλανκ, δηλ. 10^-33 cm ή 10^-20 φορές της διαμέτρου του πυρήνα των ατόμων.

Αρχικά η θεωρία των (υπερ)χορδών αναπτύχθηκε, παράλληλα με την θεωρία του Καθιερωμένου Μοντέλου, από τον Γιοϊχίρο Ναμπού το 1970, ο οποίος μίλησε για περιστρεφόμενες και παλλόμενες μονοδιάστατες οντότητες-μήκη της τάξης των 10^-13 cm, των οποίων οι ιδιότητες αντιστοιχούσαν σε διαφορετικές καταστάσεις της ταλάντωσης, όπως οι διάφορες νότες από την χορδή μιας κιθάρας. Οι μονοδιάστατες, όμως, αυτές οντότητες πάλλονται σε περισσότερες από τις τέσσερις διαστάσεις του χωρόχρονου, ενώ οι παραπάνω αυτές διαστάσεις θεωρούνται κρυμμένες από την αντίληψή μας δια της μεθόδου της σύμπτυξης, όπως π.χ. η πυροσβεστική μάνικα που τυλίγεται σε καρούλι μικρών διαστάσεων.

Έπειτα, ο Τζον Σβαρτς μαζί με τον Τσερκ και τον Νεβό ανέπτυξε μια μαθηματικά συνεκτική θεωρία (ανοικτές χορδές, Τύπου Ι) περιστρεφόμενων χορδών που περιέγραφε όλα τα στοιχειώδη σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου, δηλ. και τα φερμιόνια (κουάρκς και λεπτόνια) και τα μποζόνια (φορείς των 4 δυνάμεων), αλλά απαιτούσε από τις χορδές να πάλλονται σε 10 διαστάσεις, τέσσερις από τις οποίες ήταν συνεπτυγμένες.

Κατόπιν, ο Σβαρτς μαζί με τον Μίκαελ Γκριν συνειδητοποίησε ότι το ζητούμενο ήταν μια θεωρία των Πάντων, δηλ. σωματιδίων και πεδίων, και όχι μόνο των αδρονίων (πρωτονίων, νετρονίων και μεσονίων), θεωρία που απαιτούσε εξαιρετικά μικρότερες χορδές από αυτές του Ναμπού, που θα συμπεριελάμβαναν και όλες τις γνωστές συμμετρίες των φερμιονίων και μποζονίων καθώς και την υπερσυμμετρία (κατάσταση υψηλών ενεργειών όπου και οι 4 δυνάμεις της φύσης έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά και αποτελούν μια οντότητα). Έτσι, το 1981, εισήγαγαν στην νέα θεωρία (κλειστές χορδές, Τύπου ΙΙ) χορδές που σχημάτιζαν βρόγχους, χωρίς άκρα, όπου μια ταλάντωση που διαδίδεται προς την μία κατεύθυνση αναπαριστά φερμιόνια, ενώ, αν τρέχει ανάστροφα, μποζόνια. Τους επισημάνθηκε, όμως, ότι έπρεπε να ξεκινήσει κανείς από μονό αριθμό διαστάσεων για να εφαρμόσει το κόλπο της σύμπτυξης των διαστάσεων και τελικά το 1984 βρήκαν μια μοναδική εκδοχή της θεωρίας χορδών Τύπου Ι, που τεχνικά περιγράφεται από την συμμετρία SO(32), που φαινόταν εξαιρετική υποψήφια για την θεωρία των Πάντων.

Ύστερα, ο Ντέιβιντ Γκρος μαζί με την ομάδα του «Κουαρτέτο Εγχόρδων του Πρίνστον» ασχολήθηκε ξανά με τις κλειστές χορδές αλλά με διαφορετική μαθηματική προσέγγιση (Ετερωτική θεωρία χορδών): ταλαντώσεις σε 10 διαστάσεις για τα φερμιόνια και ανάστροφες ταλαντώσεις σε 26 διαστάσεις για τα μποζόνια, ενώ οι ιδιότητες των πεδίων περιγράφονται ως άλως που περιβάλλουν τις χορδές. Οι ετερωτικές χορδές αποτελούν ουσιαστικά ένα υβριδικό είδος των πρώτων θεωριών χορδών και χορδών Τύπου ΙΙ. Εδώ, όμως, τώρα από τις 26 διαστάσεις οι 16 έχουν συρρικνωθεί ως ομάδα, αφήνοντας τις 10 επιπλέον διαστάσεις ως βάση των ταλαντώσεων, ενώ από αυτές τις 10 οι 6 συμπυκνώνονται με διαφορετικό τρόπο και αφήνουν τις 4 γνωστές μας διαστάσεις να γίνουν αντιληπτές. Αυτές οι 16 διαστάσεις των ταλαντώσεων που περιγράφουν μποζόνια επιτρέπουν την ύπαρξη μιας τεράστιας ποικιλίας μποζονίων σε σχέση με την απλότητα του κόσμου των φερμιονίων που συνίσταται από μερικά κουάρκς και τα λεπτόνια.

Η ιδέα της προσθήκης μιας επιπλέον διάστασης για τα φερμιόνια εμφανίσθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1980 από τον Μίκαελ Νταφ και άλλους φυσικούς ως εικασία, καθώς ανακάλυψαν ότι με 11 διαστάσεις παρακάμπτεται το πρόβλημα της σύμπτυξης, ενώ ταυτόχρονα αυτή η επιπλέον διάσταση μπορεί να αγνοηθεί αφήνοντας μια νέα οντότητα, την μεμβράνη, να συμπεριφερθεί ως χορδή που ταλαντώνεται σε 10 διαστάσεις.

6.10. Η Θεωρία των Μ(εμβρανών) και το 11-διάστατο σύμπαν

Έπειτα, το 1995, και ενώ υπήρχαν ήδη πέντε διαφορετικές εκδοχές της θεωρίας των υπερχορδών (Τύπου Ι, 2 εκδοχές Τύπου ΙΙ και 2 εκδοχές ετερωτικών χορδών) καθώς και η θεωρία της Υπερβαρύτητας από την δεκαετία του 1980,  ο Αμερικανός Ουίτεν, μαζί με τον συνάδελφό του Τάουσεντ, βρήκε πώς απαιτείται μία ακόμη διάσταση. Έτσι, με ένδεκα διαστάσεις πολλά προβλήματα της θεωρίας των υπερχορδών εξαφανίζονται, ενώ οι χορδές αντικαθίστανται από επιφάνειες γνωστές ως μεμβράνες, γι’ αυτό και η θεωρία ονομάσθηκε θεωρία-Μ ή θεωρία των Μεμβρανών, ενώ προσέφερε ένα μοναδικό θεωρητικό υπόβαθρο που περιγράφει όλα τα σωματίδια και τις δυνάμεις της φύσης.

Διαπιστώθηκε, δηλαδή, ότι όλες οι εκδοχές της θεωρίας των υπερχορδών σχετίζονταν στενά μεταξύ τους, καθώς είναι όλες παραλλαγές-υποσύνολα της μιας και μόνης θεωρίας-Μ, η οποία περιγράφει αυτό που μοιάζει να είναι έξι διαφορετικές θεωρίες χαμηλότερων ενεργειών, που παρουσιάζουν διαφορές στο επίπεδο της ηλεκτρασθενούς δύναμης, ενώ η ενοποίηση είναι καθαρή στο επίπεδο της ισχυρής αλληλεπίδρασης.

Σύμφωνα με τον σύγχρονο στοχασμό όλες οι επιπλέον διαστάσεις καμπυλώθηκαν κατά την στιγμή της Μ. Έκρηξης, γεγονός που συνεπάγεται ότι κάτι υπήρχε πριν από αυτήν. Ίσως αρχικά οι διαστάσεις να ανήκαν σε ένα δεκα-διάστατο ή ενδεκα-διάστατο σύμπαν, στο οποίο όλες οι δυνάμεις της φύσης ήταν ενοποιημένες σε μία, αλλά με την Μ. Έκρηξη συμπιέσθηκαν έξι ή επτά από αυτές σε ένα μέγεθος που δεν θα είμαστε ποτέ σε θέση να το πλησιάσουμε.

Δυστυχώς, πειραματικά στοιχεία μέχρι στιγμής δεν υπάρχουν για τις υπερχορδές ή τις μεμβράνες και θα είναι δύσκολο να βρεθούν, γιατί απαιτούνται ενέργειες που υπερβαίνουν κατά πολύ τις δυνατότητες των σημερινών διατάξεων, καθώς είναι αδύνατον να κατασκευασθεί τέτοιος επιταχυντής που να παράγει σωματίδια για διερεύνηση σε κλίμακες Πλανκ. Η θεωρία των χορδών περιγράφεται ως μια θεωρία του 21ου αι. που εμφανίσθηκε κατά λάθος στον 20ο αι. Η θεωρία-Μ, πάντως, προβλέπει την ύπαρξη ενός δεύτερου είδους μποζονίου Ζ, αλλά είναι δύσκολο να ανακαλυφθεί ακόμα και με τον νέο επιταχυντή LHC στο ερευνητικό κέντρο CERN. Παραμένει, πάντως, βαθιά στην καρδιά της φυσικής η πεποίθηση ότι οι κύριοι νόμοι της φύσης εκφράζουν βαθιές συμμετρίες του σύμπαντος.

6.11. Για ένα …συμμετρικό σύμπαν

Περιέργως, οι βαθύτερες συμμετρίες δεν περιγράφουν το σύμπαν μας έτσι όπως είναι τώρα, αλλά ενδεχομένως το περιγράφουν όπως ήταν λίγο μετά την Μ. Έκρηξη. Η πηγή αυτής της δυσκολίας είναι η ανακάλυψη ότι ορισμένες από τις φαινομενικές συμμετρίες του σύμπαντος συνήθως καταρρέουν, σπάνε. Έτσι, όταν το 1956 οι φυσικοί Τσουνγκ-Ντάο Λι και Τσεν-Νινγκ Γιανγκ πρότειναν ότι η ασθενής δύναμη παραβιάζει την κατοπτρική συμμετρία, η φυσικός Τσιεν-Σουνγκ Βου απέδειξε ότι είχαν δίκιο. Οι νόμοι που διέπουν το σύμπαν είναι ουσιαστικά διαφορετικοί από τους νόμους για το κατοπτρικό του είδωλο. Το σπάσιμο της κατοπτρικής συμμετρίας έμοιαζε να περιορίζεται στην ασθενή δύναμη, ενώ σε έναν κατοπτρικό κόσμο η ηλεκτρομαγνητική και η ισχυρή δύναμη λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο. Επιπλέον, ο βαθμός ασυμμετρίας της ασθενούς δυνάμεως είναι σχετικά μικρός. Όλα θα είχαν νόημα, εάν οι νόμοι του σύμπαντος ήταν μια μικρή διαταραχή των νόμων ενός τελειότερου, πιο συμμετρικού, σύμπαντος, στο οποίο και οι  τέσσερις δυνάμεις θα ήταν κατοπτρικά συμμετρικές.

Ορισμένα από τα πιο ελκυστικά μοντέλα για την Μ. Έκρηξη προβλέπουν κάτι ακόμα πιο κομψό: ότι κάποτε οι τέσσερις δυνάμεις της φύσης ήταν μία και μοναδική δύναμη. Όμως, καθώς το σύμπαν άρχισε να ψύχεται  από την πυρακτωμένη φάση της εκρηκτικής του γέννησης, υπέστη μια σειρά μεταβολών φάσης, όπως ο ατμός που γίνεται νερό και μετά πάγος. Κάτι τέτοιο είναι μάλλον κυριολεκτικό παρά μεταφορικό. Οι νόμοι του σύμπαντος αποκρυσταλλώθηκαν σε μια μορφή, στην οποία οι τέσσερις δυνάμεις διαχωρίσθηκαν και καθεμιά απέκτησε τις δικές της ιδιότητες.

6.12. Η ανομοιομορφία του σύμπαντος – τα συσσωματώματα

Δεν είναι, όμως, σαφές αν το ιδανικό αυτό και τέλειο σύμπαν υπήρξε ποτέ ή αποτελεί απλώς μια μαθηματική και μόνον ιστορία. Σίγουρο είναι μόνον ότι τις πρώτες στιγμές μετά την Μ. Έκρηξη το σύμπαν υπέστη ένα διαφορετικό είδος κατάρρευσης αυτής της συμμετρίας. Η κατανομή της ύλης ήταν αρχικά ομοιόμορφη, αλλά γρήγορα εμφάνισε συγκεντρώσεις ύλης, τα συσσωματώματα. Από την δική μας οπτική γωνία, αυτή η ανομοιομορφία υπήρξε κρίσιμη για την ύπαρξή μας, γιατί τα συσσωματώματα αυτά ήταν οι σπόροι που οδήγησαν στην δημιουργία των γαλαξιών, των αστέρων και των πλανητών.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 εντοπίσθηκαν μέσω του δορυφόρου COBE κυματισμοί στην άκρη του χρόνου, δηλαδή ανωμαλίες στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, ίχνη της πρώτης αλλαγής από την ομοιομορφία στην ανομοιομορφία.  Ο βαθμός ανομοιομορφίας ήταν πολύ μικρός, περίπου 10^-4, αλλά αρκετός ώστε, καθώς το πρώιμο σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν έχοντας λίγα συσσωματώματα, να οδηγήσει έπειτα μέσω της βαρύτητας στην δημιουργία ακόμη περισσοτέρων, δηλαδή ενός φράκταλ δικτύου από τα κενά και τα υπερσμήνη που υπάρχουν σήμερα.

6.13. Το πιθανό σχήμα του σύμπαντος

Σήμερα θεωρούμε ότι το σύμπαν δεν είναι άπειρο αλλά πεπερασμένο, μόνο που δεν έχει όρια. Το σχήμα, λοιπόν, που απέκτησε μετά την Μ. Έκρηξη:

α) σύμφωνα με τις εξισώσεις της Σχετικότητας, πρέπει να είναι εκείνο της τρισδιάστατης σφαίρας: θετική καμπυλότητα, πεπερασμένη, χωρίς όρια.

β) σύμφωνα με άλλες μη ευκλείδειες γεωμετρίες (τις υπερβολικές πολλαπλότητες), υπάρχει και μια ακόμη ενδιαφέρουσα περίπτωση να είναι ως εξής: με αρνητική καμπυλότητα, πεπερασμένη.

Όμως, στην δεύτερη περίπτωση είναι πολύ πιο δύσκολη η απεικόνιση του σχήματος (χρειάζεται μια τεχνική από σχήματα επίστρωσης πάνω στον λεγόμενο δίσκο του Πουανκαρέ). Εικάζεται ότι το σύμπαν έχει ένα από αυτά τα εξωτικά σχήματα, αλλά είναι κατασκευασμένο στις τέσσερις διαστάσεις και όχι στις δύο διαστάσεις του δίσκου του Πουανκαρέ. Αν, επομένως, το σύμπαν έχει αρνητική καμπυλότητα, πώς θα το ανακαλύψουμε; Θα πρέπει να υπάρχουν ειδικοί κύκλοι στον ουρανό, όπου τα ίδια σχήματα απομακρυσμένων γαλαξιών… θα επαναλαμβάνονται απαράλλακτα. Για να τους ανακαλύψουμε, όμως, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ηλεκτρονικός υπολογιστής για να συγκρίνουμε τους γαλαξίες σε όλους τους πιθανούς κύκλους, εγχείρημα ασφαλώς τεράστιο αλλά εφικτό!

6.14. Η θεωρία του χάους

Στην σύγχρονη εποχή αναπτύχθηκε μια νέα, παράξενη θεωρία, η θεωρία του χάους, που αποτελεί την τρίτη μεγάλη επανάσταση του 20ου αιώνα μετά την κβαντομηχανική και την σχετικότητα. Ως αντικείμενο μελέτης της έχει το χάος, το οποίο εμφανίζεται σε κάθε φαινόμενο του οργανικού ή του ανόργανου κόσμου μας, από τα στοιχειώδη σωματίδια, τα κενά στην ζώνη των αστεροειδών, την αύξηση του πληθυσμού των εντόμων, το στάξιμο της βρύσης μέχρι τις συγκρούσεις ανάμεσα στις μπάλες του μπιλιάρδου, τα μετεωρολογικά φαινόμενα και το χρηματιστήριο.

Οι επιστήμονες, λοιπόν, ερευνώντας κάποιες αταξίες που κυριαρχούν στην φύση, διαπίστωσαν ότι αντί να οδηγηθούν στην ανακάλυψη κάποιων αδήριτων νόμων ενός σύμπαντος που λειτουργεί με τάξη και ακρίβεια ωρολογιακού μηχανισμού, στην πραγματικότητα παραδέχονται πως η φύση λειτουργεί βάσει δικών της νόμων και πως τίποτε μέσα στο «άτακτο» σύμπαν μας δεν συμπεριφέρεται με τρόπο που μπορεί ολοκληρωτικά να προβλεφθεί ή να επαναληφθεί! Μέσα από την τάξη εμφανίζεται ξαφνικά το χάος, το οποίο όμως στην συνέχεια μπορεί να δώσει πάλι γένεση στην τάξη και αυτή με την σειρά της να αναδείξει ξανά νέες μορφές χάους! Διαπιστώθηκε, λοιπόν, αναπάντεχα ότι στην φύση το νομοτελειακό γεννά το τυχαίο και αντίστροφα, με συνέπεια την πρόκληση της επιστημονικής σκέψης και την αναζήτηση νέας οπτικής γωνίας για τον κόσμο με σκοπό την μελλοντική κατανόηση των ανεξέλεγκτων δυνάμεων της φύσης και της πολυπλοκότητάς της.