Φυσική & Φιλοσοφία (257 άρθρα)

Τριάντα από τους πιο γνωστούς μαθηματικούς στον κόσμο σε μια συνάντηση που έγινε στα μέσα Μαΐου στο Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνια μακριά από τα φώτα της δημοσιότητας, αντιμετώπισαν ένα chatbot σχεδιασμένο να λύνει δύσκολα μαθηματικά προβλήματα. Οι μαθηματικοί έφτιαξαν οι ίδιοι πρωτότυπα μαθηματικά προβλήματα και τα έδωσαν στο πρόγραμμα για να το δοκιμάσουν. Μετά από δύο ημέρες έμειναν έκπληκτοι όταν ανακάλυψαν πως ήταν ικανό να απαντήσει σε μερικά από τα πιο δύσκολα μαθηματικά προβλήματα. Ο Κεν Όνο μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια και ένας από τους διοργανωτές της συνάντησης, δήλωσε: «Έχω συναδέλφους που είπαν ότι αυτά τα μοντέλα πλησιάζουν την μαθηματική ιδιοφυΐα»

Το νέο chatbot βασίζεται στο o4-mini, ένα νέο είδος μεγάλου γλωσσικού μοντέλου (Large Language Model-LLM) που σχεδιάστηκε να κάνει πολύπλοκες λογικές σκέψεις. Ένα παρόμοιο μοντέλο της Google, το Gemini 2.5 Flash, έχει αντίστοιχες ικανότητες. Όπως και τα παλιότερα μοντέλα του ChatGPT, το o4-mini έχει μάθει να προβλέπει την επόμενη λέξη σε μια πρόταση. Όμως, σε αντίθεση με τα παλιότερα, είναι πιο ελαφρύ και πιο έξυπνα εκπαιδευμένο, χρησιμοποιώντας ειδικά δεδομένα και περισσότερη βοήθεια από ανθρώπους. Αυτό το κάνει ικανό να λύνει πολύ πιο δύσκολα μαθηματικά προβλήματα.

Για να παρακολουθήσει την πρόοδο του o4-mini, η OpenAI ανέθεσε στην Epoch AI, έναν ανεξάρτητο οργανισμό που αξιολογεί τα LLM, να βρει 300 μαθηματικά προβλήματα των οποίων οι λύσεις δεν υπήρχαν πουθένα δημοσιευμένες. Βέβαια και τα παραδοσιακά LLM μπορούν να απαντήσουν σωστά σε περίπλοκα μαθηματικά ερωτήματα. Ωστόσο, όταν η Epoch AI έθεσε σε πολλά τέτοια μοντέλα αυτές τις ερωτήσεις, οι οποίες ήταν διαφορετικές σε σχέση με αυτές που είχαν εκπαιδευτεί, τα περισσότερα απέτυχαν. Και τα πιο επιτυχημένα κατάφεραν να λύσουν λιγότερα από το 2% των προβλημάτων, δείχνοντας ότι αυτά τα προγράμματα δεν είχαν την ικανότητα να σκέφτονται. Αλλά το o4-mini αποδείχθηκε πολύ διαφορετικό.

Η Epoch AI προσέλαβε τον Elliot Glazer, ο οποίος προαφάτως είχε ολοκληρώσει το διδακτορικό του στα μαθηματικά, για να συμμετάσχει στη νέα έρευνα, με την ονομασία FrontierMath, τον Σεπτέμβριο του 2024. Η έρευνα συγκέντρωσε νέες ερωτήσεις με ποικίλα επίπεδα δυσκολίας, με τα τρία πρώτα επίπεδα να καλύπτουν προκλήσεις σε προπτυχιακό, μεταπτυχιακό και ερευνητικό επίπεδο. Μέχρι τον Απρίλιο του 2025, ο Glazer διαπίστωσε ότι το o4-mini μπορούσε να λύσει περίπου το 20% των ερωτήσεων. Στη συνέχεια, προχώρησε σε ένα τέταρτο επίπεδο: ένα σύνολο ερωτήσεων που θα ήταν δύσκολο ακόμη και για έναν ακαδημαϊκό μαθηματικό. Μόνο μια μικρή ομάδα ανθρώπων στον κόσμο θα ήταν σε θέση να αναπτύξει τέτοιες ερωτήσεις, πόσο μάλλον να τις απαντήσει. Οι μαθηματικοί που συμμετείχαν έπρεπε να υπογράψουν μια συμφωνία εμπιστευτικότητας που απαιτούσε να επικοινωνούν αποκλειστικά μέσω της εφαρμογής ανταλλαγής μηνυμάτων Signal. Άλλες μορφές επικοινωνίας, όπως το παραδοσιακό email, θα μπορούσαν ενδεχομένως να σαρωθούν από ένα πρόγραμμα LLM και να το εκπαιδεύσουν ακούσια, μολύνοντας έτσι το σύνολο δεδομένων.

Κάθε πρόβλημα που δεν μπορούσε να λύσει το o4-mini θα απέδιδε στον μαθηματικό που το επινόησε μια αμοιβή 7.500 δολαρίων. Η ομάδα σημείωσε αργή, σταθερή πρόοδο στην εύρεση ερωτήσεων. Αλλά ο Glazer ήθελε να επιταχύνει τα πράγματα, οπότε η Epoch AI φιλοξένησε τη συνάντηση με φυσική παρουσία το Σάββατο 17 Μαΐου και την Κυριακή 18 Μαΐου. Εκεί, οι συμμετέχοντες θα οριστικοποιούσαν την τελευταία ομάδα ερωτήσεων. Οι 30 συμμετέχοντες χωρίστηκαν σε ομάδες των έξι. Για δύο ημέρες, οι μαθηματικοί ανταγωνίζονταν μεταξύ τους για να επινοήσουν προβλήματα που μπορούσαν να λύσουν, αλλά θα δυσκόλευαν την Τεχνητή Νοημοσύνη. Το πρόγραμμα τελικά όχι μόνο άρχισε να παρουσιάζει έξυπνες λύσεις, αλλά έδειχνε και θρασύτητα: σε κάποια φάση όταν ρωτήθηκε για την πηγή που χρησιμοποίησε σε κάποιον υπολογισμό του, απάντησε: «Δεν χρειάζεται παραπομπή αφού ο υπολογισμός έγινε από εμένα!»

Παρότι οι προσκεκλημένοι μαθηματικοί κατάφεραν τελικά να βρούν 10 ερωτήσεις που δυσκόλεψαν το πρόγραμμα, έμειναν έκπληκτοι από το πόσο είχε προχωρήσει η Τεχνητή Νοημοσύνη σε διάστημα ενός έτους. Πέρα από την ταχύτητά της, χρειαζόταν μόλις λίγα λεπτά για να κάνει αυτό που ένας επαγγελματίας μαθηματικός θα χρειαζόταν εβδομάδες ή και μήνες για να ολοκληρώσει. Σύμφωνα με τις δηλώσεις των μαθηματικών που συμετείχαν στην συνάντησης, οι επιδόσεις του προγράμματος o4-mini ξεπερνούν αυτή τη στιγμή τις ικανότητες των καλύτερων μεταπτυχιακών φοιτητών στον κόσμο!

ΠΗΓΗ

Κάτω από την πλούσια ποικιλία του κόσμου μας κρύβεται μια εντυπωσιακή απλότητα. Όλα αποτελούνται από ένα σύνολο μόλις 17 στοιχειωδών σωματιδίων, κι αυτά τα σωματίδια, αν και μπορεί να διαφέρουν ως προς τη μάζα ή το φορτίο τους, διακρίνονται σε δύο (μόνο) βασικούς τύπους: τα μποζόνια και τα φερμιόνια.

Ο φυσικός Paul Dirac επινόησε τους δυο όρους σε μια ομιλία του το 1945, βαφτίζοντας τα δύο βασίλεια των σωματιδίων χρησιμοποιώντας τα ονόματα των φυσικών που βοήθησαν στην διελεύκανση των ιδιοτήτων τους: του Satyendra Nath Bose και του Enrico Fermi.

Το 1924, ο Bose εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο της Ντάκα – τώρα είναι η πρωτεύουσα του Μπαγκλαντές. Νωρίτερα, γύρω στο 1900, ο Max Planck είχε προτείνει έναν νόμο «για την ποσότητα του φωτός κάθε μήκους κύματος (χρώματος) που εκπέμπει ένα θερμό αντικείμενο» . Στην απόδειξή του ο Planck υποχρεώθηκε να δεχτεί ότι η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη γίνεται με διακριτά πακέτα ή «κβάντα» ενέργειας, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο προς την κβαντομηχανική. Ο Bose βρήκε μια ισχυρότερη μαθηματική απόδειξη του νόμου του Planck. Έγραψε στον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ζητώντας βοήθεια για την δημοσίευση του αποτελέσματος σε ένα γερμανικό περιοδικό και στη συνέχεια συνεργάστηκε με τον Αϊνστάιν για να εμπλουτίσει την ιδέα.

Τα μαθηματικά των Bose και Einstein περιέγραφαν μια κατάσταση όπου πολλά σωματίδια μπορούν να είναι απολύτως όμοια: όχι μόνο να έχουν το ίδιο φορτίο, μάζα και ενέργεια, αλλά μπορούν να βρίσκονται ακόμα και στην ίδια θέση την ίδια στιγμή. Τα φωτόνια, τα σωματίδια του φωτός, συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Ένα λέιζερ, για παράδειγμα, αποτελείται από πολλά φωτόνια μαζί, συγχρονισμένα στο ίδιο μήκος κύματος, σε μία μόνο δέσμη φωτός. Τέτοιου είδους σωματίδια σήμερα ονομάζονται μποζόνια.

Τα ίδια μαθηματικά θα αποδεικνύονταν ότι λειτουργούσαν και σε άλλα σωματίδια, πέρα από τα απλά φωτόνια. Οτιδήποτε βιώνουμε ως δύναμη (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενή και ισχυρή πυρηνική) είναι μια συλλογική προσπάθεια αμέτρητων μποζονίων. Τα φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, ενώ άλλα μποζόνια, τα γλοιόνια, μεταφέρουν τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις που κρατάνε σταθερό τον πυρήνα και τα μποζόνια W και Z μεταφέρουν τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις στις οποίες, για παράδειγμα, οφείλεται η ραδιενεργός διάσπαση β. Οι φυσικοί θεωρούν ότι και τα υποθετικά «βαρυτόνια» που πρέπει να μεταφέρουν την δύναμη της βαρύτητας, είναι επίσης μποζόνια. Και πέρα ​​από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, ορισμένα σύνθετα σωματίδια – όπως για παράδειγμα τα άτομα ηλίου – συμπεριφέρονται επίσης σαν μποζόνια.

Αλλά τα μαθηματικά των Bose και Einstein δεν λειτούργησαν για το ηλεκτρόνιο. Όταν οι φυσικοί προσπάθησαν να μελετήσουν ηλεκτρόνια σε μέταλλα, συνάντησαν παράξενες αντιφάσεις. Για παράδειγμα, φάνηκε να υπάρχει μια ασυνέπεια μεταξύ του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια μετέφεραν ηλεκτρικά ρεύματα και του τρόπου με τον οποίο απορροφούσαν τη θερμότητα. Το 1926 οι Fermi και Dirac, εργαζόμενοι ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, κατάλαβαν τι πήγαινε στραβά: Τα ηλεκτρόνια δεν είναι μποζόνια. Σε αντίθεση με τα φωτόνια, τα πανομοιότυπα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να συσσωρευτούν στο ίδιο μέρος. Αντίθετα, κάθε ηλεκτρόνιο πρέπει να διαφέρει από τα συντρόφους του με τουλάχιστον έναν τρόπο: διαφορετική θέση, ενέργεια ή προσανατολισμό. Αυτού του είδους τα σωματίδια σήμερα τα ονομάζουμε φερμιόνια. (Ένας άλλος φυσικός, ο Pascual Jordan, κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα ένα χρόνο νωρίτερα, αλλά δεν την δημοσίευσε εγκαίρως για να μοιραστεί την επιβράβευση.)

Τα φερμιόνια καθιστούν δυνατή την πολυπλοκότητα της ύλης. Δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να καταλαμβάνουν την ίδια θέση σε ένα άτομο, επομένως όσο περισσότερα ηλεκτρόνια έχει ένα άτομο, τόσο περισσότερο απλώνονται σε διακριτές περιοχές, δημιουργώντας τις διαφορετικές χημικές ιδιότητες του υδρογόνου, του ηλίου, του χρυσού, του αργύρου και όλων των άλλων στοιχείων του περιοδικού πίνακα.

Πέρα από τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια στους ατομικούς πυρήνες είναι επίσης φερμιόνια. Το ίδιο και τα νετρίνα. Ακόμα και πυρήνες, π.χ. το ³He είναι φερμιόνιο (ενώ το ⁴He μποζόνιο). Επιπλέον, στα υλικά, υπάρχουν ομάδες ηλεκτρονίων που συλλογικά υπακούουν στα ίδια ακριβώς μαθηματικά, όπως οι διαμορφώσεις που είναι γνωστές ως φερμιόνια Majorana, τα οποία ίσως κάποια μέρα χρησιμοποιηθούν σε κβαντικούς υπολογιστές.

Η σημαντικότερη διαφορά μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων οφείλεται στο σπιν τους. Μποζόνια είναι τα σωματίδια με ακέραιο σπιν (s=0, 1, 2,…) και περιγράφονται από συμμετρικές κυματοσυναρτήσεις. Για παράδειγμα τα φωτόνια έχουν σπιν 1 και τα βαρυτόνια 2. Αυτό σημαίνει ότι όταν στρέψουμε ένα μποζόνιο κατά έναν πλήρη κύκλο, θα έχουμε το ίδιο σωματίδιο με το οποίο ξεκινήσαμε, με τα ίδια μαθηματικά χαρακτηριστικά. Τα φερμιόνια έχουν ημιακέραιο σπιν (s=1/2, 3/2,…) και περιγράφονται από κυματοσυναρτήσεις που είναι αντισυμμετρικές ως προς την εναλλαγή των μεταβλητών τους. Για παράδειγμα το σπιν των ηλεκτρονίων είναι 1/2. Αυτό σημαίνει ότι ένα φερμιόνιο δεν φαίνεται το ίδιο όταν το στρέψουμε κατά έναν πλήρη κύκλο. Η μαθηματική του αναπαράσταση αποκτά αρνητικό πρόσημο και πρέπει να το στρέψουμε και δεύτερη φορά κατά έναν πλήρη κύκλο για να επανέλθει στην αρχική του μορφή.

Αυτά τα δύο καθοριστικά χαρακτηριστικά αρχικά φαίνονταν άσχετα. Αλλά το 1939, ο Markus Fierz απέδειξε ότι και τα δύο είναι συνέπειες της μαθηματικής δομής της κβαντικής θεωρίας, μια σύνδεση που τώρα είναι γνωστή ως θεώρημα στατιστικής σπιν. Ο σύμβουλός του, Wolfgang Pauli, δημοσίευσε μια βελτιωμένη έκδοση της απόδειξης την επόμενη χρονιά. Η απόδειξη είναι αρκετά αφηρημένη, ακόμη και για τους φυσικούς, και είναι γνωστό ότι είναι δύσκολο να εξηγηθεί διαισθητικά.

Τα φερμιόνια υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli – αλλιώς δεν θα υπήρχαν ούτε πολυηλεκτρονικά άτομα ούτε οι πυρήνες τους. Αντίθετα, τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων, όπως τα φωτόνια, είναι μποζόνια. Και πρέπει να είναι μποζόνια ώστε να μην υπακούουν στην αρχή Pauli για να είναι δυνατή η συνύπαρξή τους στην ίδια κβαντική κατάσταση, που είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία ενός μακροσκοπικού κυματικού φαινομένου. Έτσι, σύμφωνα με το θεώρημα σπιν-στατιστικής, ενώ τα φερμιόνια «απεχθάνονται να συνευρίσκονται μεταξύ τους» , τα μποζόνια «αρέσκονται να συνυπάρχουν το ένα πάνω στο άλλο» . Επιπλέον, τα φερμιόνια ακολουθούν την στατιστική Fermi-Dirac και τα μποζόνια ακολουθούν την στατιστική Bose-Einstein.

Ο αριθμός των βασιλείων των σωματιδίων εξαρτάται από τον αριθμό των διαστάσεων. Το θεώρημα σπιν-στατιστικής αποδεικνύει ότι τα μποζόνια και τα φερμιόνια είναι οι μόνες δύο δυνατότητες στον τρισδιάστατο κόσμο μας. Αν όμως τα βάλουμε σε δύο διαστάσεις, θα μπορούσαν να είναι οτιδήποτε μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων. Αυτος ο νέος τύπος σωματιδίων, που προκύπτει μόνο σε συστήματα δυο διαστάσεων, υπακούει σε μια στατιστική μεταξύ των στατιστικών Fermi-Dirac και Bose-Einstein. Ο Frank Wilczek χρησιμοποίησε το χιουμοριστικό όνομα anyon(s) (θα μπορούσαμε να τα λέμε ενυόνια). Και σε μία διάσταση, η διάκριση καταρρέει εντελώς. Σε έναν τέτοιο μονοδιάστατο κόσμο, τα μποζόνια και τα φερμιόνια είναι σαν δύο διαφορετικές εξισώσεις με την ίδια λύση: τα δύο βασίλεια των σωματιδίων είναι σιωπηρώς συγχωνευμένα.

ΠΗΓΗ

Η συντριπτική πλειοψηφία της ύλης στο σύμπαν είναι η σκοτεινή ύλη, που είναι εντελώς αόρατη και ανιχνεύεται μόνο διαμέσου των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων. Η συνηθισμένη ύλη – από τα πρωτόνια μέχρι τους πλανήτες και τους ανθρώπους – αποτελεί μόνο το 16%. Σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, η συνηθισμένη ύλη εκπέμπει φως διαφόρων μηκών κύματος και επομένως μπορεί να ανιχνευθεί. Αλλά ένα μεγάλο μέρος της διαχέεται ανάμεσα στην άλω που περιβάλλει τους γαλαξίες, αλλά και στο απέραντο διάστημα μεταξύ των γαλαξιών. Αυτό το διαγαλαξιακό αέριο ήταν δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα μέχρι σήμερα επειδή είναι εξαιρετικά αραιό και γι αυτό θεωρείτο ως η «χαμένη» ύλη του σύμπαντος.

Σε μια νέα μελέτη, που δημοσιύεται στο Nature Astronomy με τίτλο «A gas rich cosmic web revealed by partitioning the missing baryons» , αναφέρεται για πρώτη φορά, η ανίχνευση αυτής της ελλείπουσας ύλης. Το επίτευγμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRB) από μακρινούς γαλαξίες.

Η εν λόγω έρευνα αποκάλυψε ότι το 76% της κανονικής ύλης του σύμπαντος βρίσκεται στον χώρο μεταξύ των γαλαξιών, την διαγαλαξιακή ύλη. Περίπου το 15% βρίσκεται στην άλω των γαλαξιων και το υπόλοιπο 9% συγκεντρώνεται μέσα σε γαλαξίες – σε άστρα, πλανήτες ή σε ψυχρό γαλαξιακό αέριο. Αυτή η κατανομή συμφωνεί με τις προβλέψεις από θεωρητικές κοσμολογικές προσομοιώσεις, αλλά ποτέ δεν είχε επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά μέχρι σήμερα.

Η μελέτη εξέτασε συνολικά 69 ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRB) που βρίσκονται σε αποστάσεις που κυμαίνονται από περίπου 11,74 εκατομμύρια έως την πιο μακρινή, περίπου 9,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός (πρόκειται για την FRB 20230521B, που κατέχει το ρεκόρ για της πιο μακρινής FRB που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα). Ενώ έχουν ανιχνευθεί περισσότερες από χίλιες FRB, μόνο για περίπου εκατό έχουν εντοπιστεί οι γαλαξίες προέλευσής τους. Με άλλα λόγια, η προέλευσή τους και οι αποστάσεις τους από τη Γη είναι γνωστές. Σ’ αυτές τις εντοπισμένες ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων βασίστηκε η έρευνα αποκάλυψης της «χαμένης» ύλης.

Από τις 69 εντοπισμένες FRBs στη μελέτη, οι 39 βρέθηκαν χρησιμοποιώντας το DSA (Deep Synoptic Array)-110, ένα δίκτυο 110 ραδιοτηλεσκοπίων στην Καλιφόρνια. Το ραδιοτηλεσκόπιο, το οποίο σχεδιάστηκε ειδικά για να εντοπίζει και να εντοπίζει FRBs, ανίχνευσε τα 39 γεγονότα και προσδιόρισε τον γαλαξία προέλευσής τους, ενώ όργανα στο Παρατηρητήριο WM Keck της Χαβάης και στο Παρατηρητήριο Palomar κοντά στο Σαν Ντιέγκο υπολόγισαν την απόστασή τους. Οι άλλε 30 FRBs στη μελέτη ανακαλύφθηκαν από τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο, κυρίως το Australian Square Kilometre Array Pathfinder.

Αυτές οι FRBs, αν και από μόνες τους έχουν τεράστιο αστροφυσικό ενδιαφέρον, χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση της χαμένης (συνηθισμένης) ύλης. Καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν από τις πηγές των FRBs μέχρι τη Γη, σκεδάζονται σε διαφορετικά μήκη κύματος. Πρόκειται για το παρόμοιο φαινόμενο με την ανάλυση του φωτός στα χρώματα του ουρανίου τόξου από ένα πρίσμα. Ο βαθμός αυτής της διασποράς εξαρτάται από τήν ποσότητα της ύλης που συναντά το φως στην πορεία του.

Είναι σαν να βλέπουμε τη σκιά των βαρυονίων, με τις FRBs ως οπίσθιο φωτισμό. Αν δείτε ένα άτομο μπροστά σας, μπορείτε να μάθετε πολλά γι’ αυτό. Αλλά αν δείτε μόνο τη σκιά του, εξακολουθείτε να γνωρίζετε ότι βρίσκεται εκεί και περίπου πόσο μεγάλο είναι.

Αυτή η ανακάλυψη βοηθά τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι γαλαξίες. Δείχνει επίσης πώς οι FRBs μπορούν να βοηθήσουν σε κοσμολογικά προβλήματα, συμπεριλαμβανομένου του προσδιορισμού της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των σωματιδίων προβλέπει (λανθασμένα) ότι τα νετρίνα δεν θα πρέπει να έχουν μάζα. Όμως οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι αυτά τα σωματίδια διαθέτουν πάρα πολύ μικρή μάζα. Και η γνώση της ακριβούς μάζας των νετρίνων θα μπορούσε επομένως να οδηγήσει σε νέα φυσική

ΠΗΓΗ

 Η αστρονόμος Vera Rubin, η συνεισφορά της οποίας άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε το σύμπαν, είχε δηλώσει το 2005 σε μια συνέντευξή της στο περιοδικό New Scientist: «Αν μπορούσα να διαλέξω, θα προτιμούσα να μάθω ότι πρέπει να τροποποιήσουμε τους νόμους του Νεύτωνα για να εξηγήσουμε τις διαγαλαξιακές αλληλεπιδράσεις σε μεγάλες αποστάσεις. Θα ήταν πιο συναρπαστικό από την ιδέα ενός σύμπαντος γεμάτου με ένα νέο είδος υποατομικών σωματιδίων».

Θα αρκούσε οι μάζες να ασκούν μια βαρυτική έλξη λίγο μεγαλύτερη από εκείνη που προβλέπει ο Νεύτωνας για να εξηγηθούν οι ταχύτητες των άστρων και των γαλαξιών χωρίς να επικαλούμαστε την σκοτεινή ύλη. Στις 15 Ιουλίου 1983, ο φυσικός Mordehai Milgrom υποστήριξε ότι το αίνιγμα της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να λυθεί με «μια τροποποίηση της νευτώνειας δυναμικής ως μιας πιθανής εναλλακτικής λύσης στην υπόθεση της κρυμμένης μάζας». Ο Milgrom ονόμασε τη θεωρία του MOND (Modified Newtonian Dynamics-Tροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική). Η απλότητα της θεωρίας MOND εξακολουθεί να προβληματίζει τους αστροφυσικούς. Μια μικρή παραλλαγή του νόμου του Νεύτωνα σε γαλαξιακές κλίμακες είναι αρκετή ώστε να μην χρειάζεται να επικαλούμαστε την σκοτεινή ύλη. Η επιτάχυνση ενός αντικειμένου που έλκεται από από μια μάζα Μ και απέχει από αυτή απόσταση r είναι: g=GM/r². Ο Milgrom υπέθεσε ότι η επιτάχυνση δεν μπορεί να μειωθεί κάτω από μια τιμή όριο (10^-10 m/s²), ακόμα και όταν η απόσταση r αυξάνεται πολύ. Aν και συνήθως εξηγούμε αυτή την ιδιότητα επικαλούμενοι την παρουσία μιας αόρατης μάζας – δηλαδή, της σκοτεινής ύλης – η οποία έχει την μορφή μιας σφαιρικής άλω που περιβάλλει έναν γαλαξία, μπορούμε επίσης να την εξηγήσουμε με μία μόνο μαθηματική παράμετρο μέσα στο πλαίσιο της θεωρίας MOND. Η κομψότητα της εν λόγω θεωρίας είναι ότι σε όλους τους γαλαξίες ισχύει η ίδια τιμή αυτής της παραμέτρου! Το ίδιο κατώφλι επιτάχυνσης λειτουργεί για σχεδόν όλους τους γαλαξίες – μικρούς και μεγάλους, νέους και ηλικιωμένους. Παρότι η θεωρία MOND εξηγεί την περιστροφή των γαλαξιακών δίσκων, παρουσιάζει προβλήματα π.χ. όταν επεκτείνεται στα σμήνη γαλαξιών. Παλαιότερα μοντέλα που βασίζονται στη MOND δεν μπορούσαν να αναπαράγουν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία.

Οι Constantinos Skordis και Tom Złósnik στην εργασία τους με τίτλο ‘A new relativistic theory for Modified Newtonian Dynamics‘, ανέπτυξαν ένα μοντέλο της MOND που συμφωνεί με τις παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι το μοντέλο τους μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω στις παρατηρήσεις σμηνών γαλαξιών και βαρυτικών κυμάτων.

Ο κύριος λόγος που οι αστρονόμοι προτιμούν την σκοτεινή ύλη έναντι της MOND είναι ότι η σκοτεινή ύλη είναι συμβατή με ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος αστροφυσικών παρατηρήσεων. Για παράδειγμα, η σκοτεινή ύλη μπορεί να εξηγήσει το φαινόμενο του βαρυτικού φακού – την κάμψη του φωτός μακρινών πηγών που βρίσκονται πίσω από γαλαξίες-, ενώ η αρχική μορφή της θεωρίας MOND δεν μπορεί. Οι ερευνητές έχουν επινοήσει τα λεγόμενα σχετικιστικά μοντέλα MOND που μπορούν να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις των βαρυτικών φακών, αλλά μέχρι τώρα, καμία από αυτές τις αναθεωρημένες εκδοχές της θεωρίας δεν μπορούσε να αναπαράγει τα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας. «Αν η θεωρία δεν μπορεί να το κάνει αυτό, τότε δεν αξίζει να εξεταστεί περαιτέρω», δήλωσε ο Κωνσταντίνος Σκορδής της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών στην Πράγα.

Το βασισμένο στην MOND μοντέλο που δημιούργησαν οι Skordis και Złósnik συμφωνεί με τις παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας, ενώ είναι επίσης συνεπές με τις παρατηρήσεις βαρυτικών φακών και τις μετρήσεις διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων. Το μοντέλο ακολουθεί υποθέτει την ύπαρξη δύο πεδίων που λειτουργούν σαν μια επιπλέον βαρυτική δύναμη. Ένα από αυτά τα πεδία είναι ένα βαθμωτό πεδίο – παρόμοιο με το πεδίο Higgs. Το άλλο είναι ένα διανυσματικό πεδίο, το οποίο μοιάζει με το μαγνητικό πεδίο.

Οι Skordis και Złósnik έθεσαν τις παραμέτρους του μοντέλου έτσι ώστε στο αρχέγονο σύμπαν, τα πεδία που τροποποιούν τη βαρύτητα να παράγουν ένα βαρυτικό αποτέλεσμα που μοιάζει με αυτό της σκοτεινής ύλης. Η μίμηση της σκοτεινής ύλης με τον τρόπο αυτό διασφαλίζει ότι αναπαράγονται τα παρατηρούμενα μοτίβα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Τα πεδία εξελίσσονται με την πάροδο του κοσμικού χρόνου, έτσι ώστε η βαρυτική δύναμη να ταυτίζεται τελικά με την αρχική θεωρία MOND. Σε αντίθεση με τα μοντέλα σκοτεινής ύλης που συχνά βασίζονται σε θεμελιώδεις αρχές συμμετρίας – το νέο μοντέλο δεν διατυπώθηκε με βάση μια υποκείμενη θεωρία. Ωστόσο, μια τέτοια θεωρητική βάση θα μπορούσε να αποκαλυφθεί χρησιμοποιώντας το νέο μοντέλο MOND.

Πάντως η πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας, παρά την εν λόγω επιτυχία της εναλλακτικής θεωρίας MOND, συνεχίζει να προτιμά την σκοτεινή ύλη. Αν όμως οι ανιχνευτές της σκοτεινής ύλης συνεχίσουν να καταγράφουν το αδιάφορο υπόβαθρο, τότε ίσως δούμε αυξημένο ενδιαφέρον για αυτά τα τροποποιημένα μοντέλα βαρύτητας.

ΠΗΓΗ: το βιβλίο του David Elbaz ‘Αναζητώντας το αόρατο σύμπαν’

Το 1944, ο Erwin Schrödinger δημοσίευσε το κλασικό βιβλίο του ‘Τι είναι η ζωή;‘.
Εκεί, περιέγραψε την προέλευση των ζωντανών συστημάτων χρησιμοποιώντας μεθόδους στατιστικής φυσικής. Υποστήριξε ότι οι ζωντανοί οργανισμοί σχηματίζουν οργανωμένες καταστάσεις μακράν της θερμοδυναμικής ισορροπίας ελαχιστοποιώντας τη δική τους αταξία. Από φυσική άποψη, η αταξία αντιστοιχεί στη θετική εντροπία. Ο Schrödinger κατέληξε στο συμπέρασμα: «Αυτό με το οποίο τρέφεται ένας οργανισμός είναι η αρνητική εντροπία [έλκοντας ένα ρεύμα αρνητικής εντροπίας προς τον εαυτό του], ώστε να εξισορροπήσει την αύξηση της εντροπίας που παράγει ενώ ζει και να διατηρηθεί έτσι σε ένα στάσιμο και σχετικά χαμηλό επίπεδο εντροπίας.»

Η δήλωση αυτή θέτει το ερώτημα εάν ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ισχύει για ζωντανά συστήματα. Κάτι που διερευνήθηκε από τους Benjamin Sorkin et al που εξέτασαν το πρόβλημα της παραγωγής εντροπίας σε ζωντανά συστήματα, προτείνοντας μια γενίκευση του δεύτερου νόμου. Χρησιμοποιώντας ένα θεωρητικό πλαίσιο πληροφοριών, δείχνουν ότι η θεωρία τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή σημαντικών θερμοδυναμικών μεγεθών και σχέσεων για ζωντανά συστήματα.

Ο Sorkin και οι συνεργάτες του βασίστηκαν σε έννοιες που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, οι επιστήμονες πρωτοστάτησαν στη μελέτη των σχέσεων διακύμανσης, οι οποίες γενικεύουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής σε συστήματα μονο-σωματιδίων μακράν της θερμικής ισορροπίας. Παράλληλα, άλλοι ερευνητές έθεσαν τα θεμέλια της στοχαστικής θερμοδυναμικής, η οποία λαμβάνει θεμελιώδεις θερμοδυναμικές έννοιες (π.χ. θερμότητα, έργο και εντροπία) που αναπτύχθηκαν για συστήματα πολλών σωματιδίων και τις εφαρμόζει στη στοχαστική δυναμική ενός σωματιδίου. Αυτό το πλαίσιο αναπαράγει μια ολόκληρη ιεραρχία προηγούμενων σχέσεων διακύμανσης, συμπεριλαμβανομένων του πρώτου και του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής για ένα τυχαία κινούμενο (Brownian) σωματίδιο σε ένα ρευστό.

Την τελευταία δεκαετία, οι σχέσεις διακύμανσης έχουν χρησιμοποιηθεί για να περιγράψουν την βιολογική δυναμική συνδέοντας την στοχαστική θερμοδυναμική με το αναδυόμενο πεδίο της ενεργού ύλης. Παραδείγματα συστημάτων ενεργού ύλης ποικίλλουν από τα μεταναστευτικά βιολογικά κύτταρα. τα σμήνη πουλιών έως τα κινούμενα πλήθη ανθρώπων. Η ενεργητική κίνηση είναι αυτό-οδηγούμενη, σε πλήρη αντίθεση με την παθητική δυναμική ενός σωματιδίου Brown. Σκεφτείτε ένα κύτταρο που μετακινείται αντλώντας ενέργεια από το περιβάλλον του. Η διαδρομή του κυττάρου φαίνεται τυχαία, παρόμοια με την τυχαία τροχιά ενός σωματιδίου της κίνησης Brown σε ένα ρευστό [βλέπε: Ο Αϊνστάιν και η κίνηση Μπράουν]. Όμως, ενώ ένα τέτοιο σωματίδιο (στην κίνηση Brown) οδηγείται παθητικά από συγκρούσεις με τα περιβάλλοντα μόρια του υγρού, το κύτταρο κινείται ενεργά από μόνο του.

Η δυναμική ενός σωματιδίου της κίνησης Brown χαρακτηρίζεται από μια ισορροπία μεταξύ των διακυμάνσεων της κίνησης του σωματιδίου και της διασκορπιστικής αλληλεπίδρασής του με το περιβάλλον του. Αυτή η ισορροπία εκφράζεται ως προς τον συντελεστή διάχυσης D του σωματιδίου την κινητικότητά του μ και τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος ρευστού Τ. Αυτή η λεγόμενη σχέση Αϊνστάιν (D=k_BTμ) – είναι ένα παράδειγμα μιας σχέσης διακύμανσης-διασκορπισμού που ισχύει για τα συνηθισμένα κλασικά ρευστά. Ωστόσο, σε πιο πολύπλοκα συστήματα όπως τα πολυμερή πηκτώματα, η σχέση Einstein δεν ισχύει , οδηγώντας σε παραβιάσεις των συμβατικών σχέσεων διακύμανσης. Στην ενεργό ύλη, η σχέση του Αϊνστάιν συνήθως καταρρέει επίσης, αντανακλώντας τη συγκεκριμένη πρόσληψη ενέργειας και τη μετατροπή της σε αυτοκινούμενη κίνηση.

Ο Sorkin και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν από την αποκαλούμενη εξίσωση υπεραπόσβεσης Langevin, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μοντελοποιήσει τη δυναμική των συστημάτων χωρίς να υποθέσει τη σχέση Einstein. Τέτοια μοντελοποίηση περιλαμβάνει παραδείγματα ενεργού ύλης και παθητικών σωματιδίων Brown ως ειδικές περιπτώσεις. Εφαρμόζοντας την στοχαστική θερμοδυναμική, η ομάδα κατέληξε στον πρώτο και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής υποθέτοντας την ύπαρξη μιας συνηθισμένης θερμοδυναμικής θερμοκρασίας, όπως στη σχέση Αϊνστάιν.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν μια κρίσιμη ποσότητα στη στοχαστική θερμοδυναμική, γνωστή ως παραγωγή πληροφοριακής εντροπίας, η οποία μετρά το σπάσιμο της συμμετρίας αντιστροφής χρόνου στο επίπεδο των μικροσκοπικών τροχιών. Χωρίς να υποθέσουν τη σχέση Αϊνστάιν και την αντίστοιχη θερμοδυναμική της θερμοκρασία, αλλά επιβάλλοντας τρεις συγκεκριμένες φυσικές συνθήκες, ο Sorkin και οι συνεργάτες του κατέληξαν σε μια εξίσωση για αυτό που αποκαλούν γενικευμένη θερμοκρασία μη-ισορροπίας. Χρησιμοποιώντας αυτή την εξίσωση, λαμβάνεται ένας δεύτερος νόμος χωρίς τη σχέση Αϊνστάιν. Αν στη συνέχεια υποθέσει κανείς αυτή τη σχέση, η γενικευμένη θερμοκρασία των ερευνητών καταλήγει στη συνηθισμένη θερμοδυναμική θερμοκρασία και η θεωρία τους ανακτά τα αντίστοιχα αποτελέσματα για τη συμβατική στοχαστική θερμοδυναμική.

Μια σημαντική συνέπεια της νέας θεωρίας είναι ότι, χωρίς τη σχέση Αϊνστάιν και τη σχετική θερμοδυναμική θερμοκρασία, οι συμβατικές σχέσεις διακύμανσης ανακτώνται μόνο σε ένα αφηρημένο, θεωρητικό επίπεδο πληροφοριών και όχι για θερμοδυναμικά μεγέθη – σύμφωνα με προηγούμενη εργασία. Υποθέτοντας μια γενικευμένη θερμοκρασία, μπορεί κανείς να εξαγάγει χρήσιμες θερμοδυναμικές σχέσεις όπως η ανισότητα Clausius, μια γενικευμένη «απόδοση Carnot» και τα όρια μεταξύ δύο βασικών μεγεθών – του εξαγόμενου έργου και της μεταβολής της ελεύθερης ενέργειας. Ο Sorkin και οι συνεργάτες του προτείνουν ότι η ιδέα τους για μια γενικευμένη θερμοκρασία θα μπορούσε να επαληθευτεί εφαρμόζοντας τη θεωρία τους σε ορισμένα πειραματικά συστήματα στα οποία η σχέση Αϊνστάιν δεν ισχύει.

Η επίτευξη της εξαγωγής μιας νέας μορφής του δεύτερου νόμου που ισχύει για τα ζωντανά συστήματα είναι αρκετά μεγάλος ισχυρισμός. Δεδομένου ότι η θεωρία δεν απαιτεί τη σχέση Αϊνστάιν, θα μπορούσε κανείς να την ονομάσει δεύτερο νόμο της αθερμικής δυναμικής, όπου εδώ το «αθερμικό(athermal)» υποδηλώνει τις μη θερμοδυναμικές ενεργές βιολογικές δυνάμεις που προκαλούν αποκλίσεις από την κλασική θερμοδυναμική. Σημειωτέον, η θεωρία υποθέτει ότι η δυναμική είναι και υπερβολικά αποσβεσμένη και Μαρκοβιανή – δηλαδή, ανεξάρτητη από την ιστορία του συστήματος. Ωστόσο, η υπερβολικά αποσβεσμένη προσέγγιση, η οποία αγνοεί την επιτάχυνση και την αδράνεια, μπορεί να αποτύχει όταν οι διακυμάνσεις εξαρτώνται από τη θέση, όπως για τις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας. Επιπλέον, πολλά ενεργά βιολογικά συστήματα – όπως τα μεταναστευτικά κύτταρα – εμφανίζουν μη-μαρκοβιανή ανώμαλη διάχυση. Σε αυτές τις γραμμές, παραβιάσεις των σχέσεων διακύμανσης-διάσπασης που είναι πιο γενικές από τη σχέση Αϊνστάιν μπορούν να τεθούν στο παιχνίδι.

Αυτές οι σκέψεις απαιτούν περαιτέρω γενικεύσεις της νέας θεωρίας, όπως οραματίζεται ο Schrödinger: «Η ζωντανή ύλη, αν και δεν ξεφεύγει από τους «νόμους της φυσικής», όπως έχουν διατυπωθεί μέχρι σήμερα, είναι πιθανό να περιλαμβάνει «άλλους νόμους της φυσικής» μέχρι τώρα άγνωστους, οι οποίοι μόλις αποκαλυφθούν, θα αποτελέσουν επίσης αναπόσπαστο μέρος της επιστήμης».

ΠΗΓΗ

Εξελικτικό πείραμα που διήρκεσε μια δεκαετία έδειξε ότι το φυτό του ρυζιού μπορεί να αποκτά αντοχή στο κρύο χωρίς γονιδιακές προσαρμογές, εύρημα που έρχεται να προστεθεί στις ενδείξεις για έναν μηχανισμό που αποκλίνει από το βασικό δόγμα της εξελικτικής θεωρίας.

Η κρατούσα άποψη θέλει τα είδη να προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους αποκλειστικά μέσω της φυσικής επιλογής μεταλλάξεων που προκύπτουν τυχαία.

Η μελέτη που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Cell αφορά ένα διαφορετικό είδος κληρονομήσιμων χαρακτηριστικών, τα οποία προκύπτουν από τους λεγόμενους επιγενετικούς παράγοντες –μόρια που συνδέονται στο μόριο του DNA και ρυθμίζουν τη λειτουργία των γονιδίων χωρίς να αλλάζουν τις αλληλουχίες τους.

Οι ερευνητές της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ήταν περίεργοι να μελετήσουν πώς η όρυζα, η οποία κατάγεται από τροπικά κλίματα, προσαρμόστηκε στις χαμηλές θερμοκρασίες των βόρειων χωρών όπου έχει επεκταθεί η καλλιέργειά της.

Η ομάδα πειραματίστηκε με μια ασιατική ποικιλία (Oryza sativa L.) που παράγει ελάχιστους πόρους σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα φυτά τοποθετήθηκαν για μια εβδομάδα σε έναν θάλαμο με σταθερή θερμοκρασία 15 βαθμών πριν αφεθούν να συνεχίσουν την ανάπτυξή τους σε πιο ζεστό περιβάλλον.

Σπόροι συλλέχθηκαν από τα πιο παραγωγικά φυτά και, αφότου φύτρωσαν, υποβλήθηκαν στην ίδια δοκιμασία. Όταν το πείραμα έφτασε στην τρίτη γενιά, ορισμένα φυτά είχαν αποκτήσει αντοχή στο κρύο και έδιναν αφθονία σπόρων. Το χαρακτηριστικό αυτό διατηρήθηκε στις επόμενες πέντε γενιές, ήταν δηλαδή κληρονομήσιμο.

Τα φυτά απέκτησαν αντοχή μέσα σε μόλις τρεις γενιές, πολύ ταχύτερα από ό,τι θα αναμενόταν αν οι αλλαγές προέρχονταν από γονιδιακές προσαρμογές μέσω της φυσικής επιλογής, αναφέρουν οι ερευνητές. Η ομάδα χρειάστηκε χρόνια για να επιβεβαιώσει τα ευρήματα και να δείξει ότι το γονιδίωμα της νέας ποικιλίας δεν διέφερε σε σχέση με τους προγόνους της.

Η πραγματική διαφορά αποκαλύφθηκε με εξειδικευμένες εργαστηριακές αναλύσεις που αποκάλυψαν επιγενετικές διαφορές: η ανθεκτική στο κρύο ποικιλία έφερε λιγότερες χημικές τροποποιήσεις σε ένα γονίδιο με την ονομασία ACT1.

Η απομάκρυνση αυτών των επιγενετικών παραγόντων από άλλα φυτά αύξανε την παραγωγικότητά τους σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ η προσθήκη τους σε ήδη προσαρμοσμένα φυτά τα έκανε ευάλωτα στο κρύο. Σε συνδυασμό, τα ευρήματα αυτά καταδεικνύουν αιτιώδη σχέση.

Φαινόμενα επιγενετικής κληρονομικότητας έχουν καταγραφεί και σε ζώα. Για παράδειγμα, παλαιότερη έρευνα είχε δείξει ότι τα ποντίκια που εκπαιδεύονται να φοβούνται μια συγκεκριμένη μυρωδιά δίνουν απογόνους με αυξημένη ευαισθησία στην ίδια οσμή.

Τα τελευταία χρόνια οι επιγενετικοί παράγοντες προσελκύουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον και στον άνθρωπο, αν και οι περισσότερες μέχρι σήμερα μελέτες αφορούσαν παθήσεις και όχι ωφέλιμες προσαρμογές.

Η μελέτη της επιγενετικής κληρονομικότητας έχει μόλις αρχίσει.

ΠΗΓΗ

Σύμφωνα με τα σχολικά βιβλία, τέσσερις είναι οι δυνάμεις που υπάρχουν στη φύση: η βαρυτική, η ηλεκτρoμαγνητική, η ισχυρή πυρηνική και η ασθενής πυρηνική. H βαρυτική δύναμη περιγράφεται ως η ελκτική δύναμη μεταξύ μαζών, η ηλεκτρική ως η δύναμη με την οποία έλκονται ή απωθούνται τα ηλεκτρικά φορτία και η μαγνητική η δύναμη μεταξύ των μαγνητών, η ισχυρή πυρηνική δύναμη αναφέρεται ως η δύναμη που συγκρατεί ενωμένα τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα του ατόμου, ενώ η ασθενής πυρηνική δύναμη ευθύνεται για τη ραδιενεργό διάσπαση βήτα και είναι σημαντική σε πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στα άστρα.

Μεταξύ των προτεινόμενων προσθηκών στο Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής είναι μια πέμπτη δύναμη διαμέσου της οποίας αλληλεπιδρούν ηλεκτρόνια με νετρόνια. Αν και τα μποζόνια που μεταφέρουν την εν λόγω δύναμη θα μπορούσαν να είναι ελαφρύτερα από ένα νετρίνο ή βαρύτερα από ένα κορυφαίο κουάρκ, η ίδια η δύναμη είναι προφανώς αδύναμη. Σε μια πρόσφατη δημοσίευση με τίτλο “Nonlinear calcium King plot constrains new bosons and nuclear properties” , οι ερευνητές A. Wilzewski et al. έθεσαν νέα ανώτατα όρια στην ισχύ της δύναμης για μποζόνια με μάζα που κυμαίνεται από 10 έως 10⁷ eV/c². Το έκαναν μετρώντας μικροσκοπικές διαφορές στις συχνότητες οπτικής μετάβασης στα ισότοπα του ασβεστίου.

Μια ατομική μετάβαση διαφέρει στη συχνότητα από το ένα ισότοπο στο άλλο, επειδή ο πυρήνας κάθε ισοτόπου διαφέρει σε μάζα και κατανομή φορτίου. Οι μετατοπίσεις είναι μικροσκοπικές αλλά είναι ευαίσθητες σε μια υποθετική δύναμη μεταξύ νετρονίων και ηλεκτρονίων. Για να αυξήσουν τις πιθανότητές τους να ανιχνεύσουν μια ανώμαλη μετατόπιση, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μετρήσεις υψηλής ακρίβειας των πυρηνικών μαζών και δύο στενών μεταβάσεων σε διαφορετικές καταστάσεις ιόντων ασβεστίου. Το ασβέστιο έχει πέντε σταθερά ισότοπα και επομένως τέσσερις ξεχωριστές μετατοπίσεις για κάθε μετάβαση, σε σχέση με το πιο άφθονο ισότοπο, το ασβέστιο-40 (⁴⁰Ca).

Η απεικόνιση των μετατοπίσεων μιας μετάβασης σε σχέση με τις μετατοπίσεις των άλλων δίνει το λεγόμενο διάγραμμα King. Ελλείψει μιας πέμπτης δύναμης ή άλλης ανωμαλίας, οι μετατοπίσεις για για ⁴²Ca , ⁴⁴Ca , ⁴⁶Ca ,και ⁴⁸Ca θα ακολουθούσαν μια ευθεία γραμμή. Χάρη στην ευαισθησία και την ακρίβεια του πειράματός τους, οι ερευνητές κατέγραψαν μικροσκοπικές αποκλίσεις από τη γραμμικότητα για κάθε ισότοπο. Μέρος ή το σύνολο της μη γραμμικότητας θα μπορούσε να αποδοθεί σε επιδράσεις εντός του Καθιερωμένου Προτύπου. Παρά το περιθώριο ελιγμών, τα νέα ανώτερα όρια για την πέμπτη δύναμη είναι πιο αυστηρά από τις προηγούμενες τιμές που προέκυψαν από τα διαγράμματα King.

ΠΗΓΗ

Οι φυσικοί έχουν εφεύρει δύο τύπους μυστηριωδών εννοιών: την σκοτεινή ενέργεια και την σκοτεινή ύλη. Και δεν τα ονομάζουν έτσι, μόνο και μόνο επειδή τους αρέσει το «σκοτάδι», αλλά γιατί στην πραγματικότητα δεν έχουν ιδέα από που προέρχονται και από τι συνίστανται. Χρειάζονται όμως αναγκαστικά την έννοια της σκοτεινής ενέργειας για να αποδώσουν σε κάποια αιτία την επιταταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, όπως και την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν γιατί οι γαλαξίες που περιστρέφονται αρκετά γρήγορα δεν διαλύονται εξαιτίας των φυγόκεντρων δυνάμεων. Η ιδέα ότι αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια απλώς δεν διατηρείται και προέρχεται από το πουθενά είναι αρκετά ελκυστική. Το ερώτημα είναι αν αυτό παραβιάζει την θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν;

Η ενέργεια μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί κάθε φορά που ο ίδιος ο χώρος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Για παράδειγμα, έστω ότι σε ένα μέρος του χώρου περιέχονται κβάντα φωτός (φωτόνια). Τα φωτόνια αντιστοιχούν σε ένα μήκος κύματος λ από το οποίο εξαρτάται η ενέργειά τους: . Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια του φωτονίου. Αν έχουμε Ν φωτόνια τότε η συνολική ενέργειά τους θα είναι: Aς φανταστούμε τον χώρο – το κουτί – που περιέχει τα Ν φωτόνια να διαστέλλεται. Θα έχουμε τον ίδιο αριθμό φωτονίων, αλλά τώρα το μήκος κύματός τους θα είναι μεγαλύτερο και επομένως η ενέργειά τους είναι μικρότερη. Δηλαδή, η συνολική ενέργεια μειώθηκε. Πού πήγε; Δεν πήγε πουθενά, απλά δεν διατηρήθηκε. Κι αυτό δεν είναι απλά μια θεωρία. Συμφωνεί με τις παρατηρήσεις. Η μη διατήρηση ενέργειας των φωτονίων στο διαστελλόμενο σύμπαν είναι ο λόγος που η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου αντιστοιχεί σήμερα στα μεγάλα μήκη κύματος της μικροκυματικής αντινοβολίας.

Επομένως (*), η ενέργεια δεν διατηρείται εφόσον ο χώρος μπορεί να τεντωθεί και να συρρικνωθεί, κάτι που συμβαίνει στη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, στη θεωρία του Αϊνστάιν έχουμε μια πιο περίπλοκη σχέση για την ενέργεια. Η οποία στην ουσία λέει ότι αν η ενέργεια δεν διατηρείται, αυτό συμβαίνει επειδή ο χώρος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Η μεταβολή στην ενέργεια πρέπει να συμβαδίζει με την μεταβολή του χώρου. Στην στριφνή ορολογία της γενικής σχετικότητας ονομάζεται νόμος συναλλοίωτης διατήρησης του τανυστή ενέργειας-ορμής, αλλά για απλότητα ας το πούμε γενικευμένη διατήρηση της ενέργειας.

Θα μπορούσαμε διαμέσου αυτής της γενικευμένης διατήρησης ενέργειας να εξηγήσουμε την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια; Η σύντομη απάντηση είναι όχι. Κι αυτό γιατί στη θεωρία του Αϊνστάιν, αυτή η γενικευμένη διατήρηση ενέργειας ικανοποιείται αυτόματα. Είναι μια μαθηματική ταυτότητα. Είναι πάντα αληθής, αρκεί να χρησιμοποιήσουμε τη θεωρία του. Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι κάθε προσπάθεια απόρριψης της γενικευμένης διατήρησης ενέργειας έχει ως συνέπεια να εμφανίζεται μια νέα συνεισφορά στις εξισώσεις που αναπληρώνει την αναντιστοιχία. Κι αυτή η νέα συνεισφορά, μπορεί να μοιάζει με σκοτεινή ενέργεια, μπορεί να μοιάζει με σκοτεινή ύλη, αλλά δεν είναι κάτι καινούργιο. Είναι μαθηματικά το ίδιο πράγμα, απλά ερμηνεύεται διαφορετικά. Aυτό είναι το αντικείμενο της πρόσφατης δημοσίευσης του φυσικού H. R. Fazlollahi με τίτλο «Non-conserved modified gravity theory» .

Ο Fazlollahi χρησιμοποιεί αυτήν την προσέγγιση της μη διατήρησης της ενέργειας για να καταλήξει σε συγκεκριμένες πειραματικές προβλέψεις που μπορούν αναζητηθούν στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Το ζήτημα είναι ότι ακόμα κι αν αυτή η πρόβλεψη αποδειχτεί σωστή, υπάρχουν περίπου εκατό άλλα θεωρητικά μοντέλα που δίνουν την ίδια πρόβλεψη …

Για περισσότερες λεπτομέρειες παρακολουθείστε το βίντεο της Sabine Hossenfelder που ακολουθεί:

(*) Η μη διατήρηση της ενέργειας των φωτονίων του κοσμικού υποβάθρου κατά την διαστολή του σύμπαντος περιγράφεται με γλαφυρό τρόπο με την έκφραση «τα φωτόνια κρυώνουν όσο το σύμπαν διαστέλλεται», στο κλασικό βιβλίο του Βασίλη Ξανθόπούλου, ‘Περί Αστέρων και Συμπάντων’, ΠΕΚ, 1987:
«Την εποχή t 500.000 χρόνια η θερμοκρασία ήταν T 3.000K. To σύμπαν ήταν 1000 φορές μικρότερο απ’ ότι σήμερα (δηλαδή η απόσταση μεταξύ δυο τυχαίων σημείων του ήταν 1000 φορές μικρότερη απ’ ότι είναι σήμερα). Πριν από τη θερμοκρασία αυτή, η ύλη ήταν αρκετά ιοντισμένη, αποτελούμενη ως επί το πλείστον από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα υδρογόνου και ηλίου. Τα φωτόνια αντιδρούσαν με τα φορτισμένα αυτά σωματίδια και η ζωή τους ήταν γεμάτη από συνεχείς απορροφήσεις και επανεκπομπές. Το σύμπαν ήταν αδιαφανές στα φωτόνια, τα οποία λόγω των συνεχών αλληλεπιδράσεων, βρίσκονταν σε θερμική ισορροπία με την ύλη. Σε θερμοκρασία Τ3.000K τα ηλεκτρόνια ενώθηκαν με τα ιόντα και σχημάτισαν ουδέτερους πυρήνες. Έκτοτε το σύμπαν έγινε διαπερατό (διαφανές) στα φωτόνια, τα οποία επηρεάζονται, πλέον, μόνον από τον χώρο αλλά όχι κι από την ύλη του. Λέμε ότι για Τ 3.000K η ύλη διαχωρίζεται (decouples) από την ακτινοβολία ή ότι τα φωτόνια υφίστανται την τελευταία τους σκέδαση (last scattering).
Λόγω της διαστολής του σύμπαντος, από την τελευταία τους σκέδαση και μετά, τα φωτόνια «κρυώνουν». Για να καταλάβουμε το φαινόμενο αυτό, φανταζόμαστε ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που δεν είναι τίποτε άλλο από φωτόνια, σχηματίζει στάσιμα κύματα μέσα σε κάποιο χώρο με γραμμική διάσταση d. Τότε ισχύει nλ=2d, όπου λ είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και n ένας ακέραιος αριθμός.
Έστω ότι από τότε οι διαστάσεις του σύμπαντος έχουν αυξηθεί, λόγω της διαστολής του, κατά έναν παράγοντα δ, τότε το d της προηγούμενης σχέσης αυξήθηκε κι αυτό κατά τον παράγοντα δ, και επειδή ο αριθμός των στάσιμων κυμάτων n παραμένει σταθερός, το μήκος κύματος λ πρέπει να αυξηθεί κι αυτό κατά τον ίδιο παράγοντα. Αύξηση, όμως, του μήκους κύματος συνεπάγεται ελάττωση της συχνότητας f της ακτινοβολίας, κατά τον ίδιο παράγοντα δ. Επειδή η ενέργεια του φωτονίου είναι hf, όπου h η σταθερά του Planck, και η ισοδύναμή του θερμοκρασία Τ θα είναι T=hf/k, όπου k η σταθερά του Boltzmann, βρίσκουμε ότι η ενέργεια και η θερμοκρασία του φωτονίου ελαττώνονται κατά τον παράγοντα δ της διαστολής του σύμπαντος. Όσο το σύμπαν θα διαστέλλεται, τα φωτόνια θα κρυώνουν.
Εφόσον από την εποχή της τελευταίας σκέδασης του φωτός μέχρι σήμερα το σύμπαν έχει μεγαλώσει κατά 1000 φορές, η θερμοκρασία των φωτονίων, αντίστοιχα, έχει ελαττωθεί κατά 1000 φορές περίπου. Αυτή την ακτινοβολία, που συνεχώς κρυώνει, την παρατηρούμε σήμερα ως ακτινοβολία μικροκυμάτων των 3 Κ. Πρόκειται για κοσμική ακτινοβολία, που γεμίζει όλο το σύμπαν, και παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1965 από τους Penzias και Wilson.»

ΠΗΓΗ

Αν θέλετε να μάθετε πόσο γρήγορα κινείται η Γη στο σύμπαν μας, πρέπει να θέσετε την ερώτηση: «Σε σχέση με τι;» Ρωτάτε αποκλειστικά για την (ιδιο)περιστροφή της; Για την κίνησή της γύρω από τον Ήλιο^(*); Γύρω από το κέντρο του Γαλαξία; Την Τοπική Ομάδα γαλαξιών; Την μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος; Ή τα υπολείμματα της ακτινοβολίας από την Μεγάλη Έκρηξη, την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου;

Ανεξάρτητα από την οπτική γωνία που επιλέγετε, η Γη βρίσκεται πάντα σε κίνηση. Έτσι, ο πλανήτης μας περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του ολοκληρώνοντας μια πλήρη περιστροφή 360° μία φορά την ημέρα. Επιπλέον, περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο, ολοκληρώνοντας μία περιφορά κάθε χρόνο. Αλλά και ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα – ο Ήλιος, οι πλανήτες, οι δορυφόροι και όλα τα άλλα – κινούνται μέσα στον Γαλαξία μας, σε τροχιά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Ο Ήλιος χρειάζεται περίπου 223 εκατομμύρια χρόνια για να κάνει μια πλήρη περιφορά γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας. Και τέλος, ο Γαλαξίας μας κινείται μαζί με την τοπική ομάδα γαλαξιών στον διαγαλαξιακό χώρο.

H ‘συνολική’ μας κίνηση στο διάστημα ανέρχεται σε περίπου 370 km/s προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση: προς τον αστερισμό του Λέοντα. Κατά τη διάρκεια ενός έτους, αυτό μπορεί να διαφέρει έως και ~30 km/s, κυρίως λόγω της μεταβαλλόμενης κίνησης της Γης γύρω από τον Ήλιο. Αυτό επιβεβαιώνεται από μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία εμφανίζεται κατά προτίμηση θερμότερη προς την κατεύθυνση που κινούμαστε (προς τον Λέοντα) και κατά προτίμηση ψυχρότερη προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κίνησή μας (μακριά από τον αστερισμό του Υδροχόου).

Τελικά, αγνοώντας τις διακυμάνσεις στην ετήσια κίνησή μας γύρω από τον Ήλιο, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι το πλανητικό μας σύστημα κινείται σε σχέση με την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου με ταχύτητα 368 km/sec, με αβεβαιότητα μόλις ± 2 km/sec.

ΠΗΓΗ