|
Ud af mørket
Måske forårsages kosmisk acceleration ikke af mørk energi men af en ubønhørlig læk af gravitation ud af vor verden
Georgi Dvali*
Kosmologer og partikelfysikere har sjældent følt sig så forvirrede. Skønt vor kosmologiske standardmodel er blevet bekræftet af nylige observationer, har den stadig et gabende hul: ingen ved, hvorfor universets ekspansion accelererer. Hvis man kaster en sten lige op, vil trækket fra Jordens gravitation få den til at sænke farten; den vil ikke accelerere væk fra planeten. På samme måde burde fjerne galakser, der blev kastet fra hinanden af big bang ekspansionen, trække i hinanden og sænke farten. Men de accelererer fra hinanden. Forskerne tilskriver almindeligvis accelerationen en eller anden mystisk entitet kaldet mørk energi, men der er lidt fysik til at bakke disse fine ord op. Det eneste, der er ved at blive klart, er, at på de største observerbare afstande opfører gravitationen sig på en temmelig mærkelig måde, idet den bliver til en frastødende kraft. Fysikkens love siger, at gravitation frembringes af stof og energi, så de tilskriver en mærkelig slags gravitation en mærkelig slags stof eller energi. Det er den logiske begrundelse for mørk energi. Men måske behøver selve lovene at blive ændret. Fysikere har en forgænger for en sådan ændring: gravitationsloven, som Newton formulerede i det 17. Århundrede, der havde forskellige begrebsmæssige og eksperimentelle begrænsninger, gav plads for Einsteins almene relativitetsteori i 1915. Relativitet har også begrænsninger; især løber den ind i problemer, når den anvendes på ekstremt korte afstande, som er kvantemekanikkens domæne. Meget som relativitet underordnede newtonsk fysik, vil en kvanteteori for gravitation i sidste ende underordne relativitet. I årenes løb er fysikerne kommet med nogle få plausible indfaldsvinkler til kvantegravitation, den mest prominente er strengteori. Når gravitation virker over mikroskopiske afstande - for eksempel i centrum af et sort hul, hvor en enorm masse er pakket ind i et subatomart rumfang - kommer stoffets bizarre kvanteegenskaber i spil og strengteori beskriver, hvordan loven om gravitation ændres. Over større afstande har strengteoretikerne generelt antaget, at kvantevirkninger ikke er vigtige. Men de kosmologiske opdagelser i de sidste adskillige år har opmuntret forskerne til at overveje det igen. For fire år siden spurgte mine kolleger og jeg om strengteori ville ændre gravitationsloven ikke blot på de mindste skalaer men også på de største. Den egenskab ved strengteori, der kunne bringe denne revision, er dens ekstra dimensioner - yderligere retninger i hvilke partikler kan strejfe om. Teorien tilføjer seks eller syv dimensioner til de sædvanlige tre. I fortiden har strengteoretikerne påstået, at de ekstra dimensioner er for små for os til at se eller bevæge os i. Men nylige fremskridt afslører, at nogle eller alle de nye dimensioner i virkeligheden kunne være af uendelig størrelse. De er skjulte ikke fordi de er små men fordi de partikler, der udgør vore legemer, er fanget i tre dimensioner. Den ene partikel, som undgår begrænsning, er den partikel der overfører gravitationskraften og som resultat ændres gravitationsloven.
Da astronomerne mødte den kosmiske acceleration, var deres første reaktion at tilskrive den såkaldte kosmologiske konstant den. Det er almindeligt bekendt, at Einstein indførte den og så trak den tilbage. Konstanten repræsenterer den energi, der er i rummet selv. Et fuldstændig tomt rumfang rum, tømt for alt stof ville stadig indeholde denne energi - ækvivalent til 10-26 kilogram pr. kubikmeter. Skønt den kosmologiske konstant er i overensstemmelse med alle eksisterende data indtil videre, finder mange fysikere den utilfredsstillende. Problemet er, at den er så uforklarligt lille, så lille at den havde lidt indvirkning på det meste af den kosmiske historie, inkluderende den tidlige periode i universets dannelse. Værre er det, at den er meget mindre end energiskalaen for de fysiske processer der skulle skabe den [se "Fra opbremsning til hastighedsøgning," af Adam G. Ries og Michael S. Turner]. For at omgå dette problem har et antal fysikere foreslået, at accelerationen ikke forårsages af selve rummet men af et energifelt, der er udspredt i rummet som en tynd tåge. Den potentielle energi af visse rumligt ensartede felter kan virke meget som en kosmologisk konstant. Et sådant felt, kendt som inflaton, menes at have drevet en periode med accelereret ekspansion, eller inflation, i det tidlige univers. Måske har et andet sådant felt stukket hovedet frem og drevet universet ind i endnu en inflationsperiode. Dette andet felt går under navnet kvintessens. Som den kosmologiske konstant skal det have en bizart lille værdi, men fortalerne argumenterer, at det burde være nemmere for en dynamisk entitet at falde til hvile i en sådan værdi end det ville være for en statisk konstant. [se "The Quintessential Universe," af Jeremiah P. Ostriker og Paul J. Steinhardt; Scientific American, januar 2001] [Det kvintessentielle univers]. Både den kosmologiske konstant og kvintessens falder i den generelle kategori mørk energi. Indtil nu mangler der en uimodståelig forklaring på begge, derfor tænker fysikere alvorligt på teorier om højere dimensioner. Det tiltrækkende ved yderligere dimensioner er, at de automatisk ville ændre gravitationens opførsel. Når gravitationen virker ifølge reglerne i enten Newtons teori eller almen relativitet, falder dens styrke med kvadratet på afstanden mellem objekter. Grunden er simpel geometri: ifølge et princip formuleret af fysikeren Carl Friedrich Gauss fra det 19. århundrede bestemmes gravitationens styrke af tætheden af gravitationskraftens linier og når afstanden stiger spredes disse linier ud over en stadig større grænse. I tredimensionalt rum er grænsen en todimensional overflade - dvs. et areal, hvis størrelse vokser med kvadratet på afstanden. Men hvis rummet var firedimensionalt ville grænsen være tredimensional - et rumfang hvis størrelse vokser som kuben af afstanden. I dette tilfælde ville kraftliniernes tæthed falde med kuben af afstanden. Gravitationen ville således være svagere end i en tredimensional verden. På kosmologiske skalaer kan svækkelsen af gravitationen føre til kosmisk acceleration af grunde, som jeg vil diskutere senere. Hvis gravitationen frit kan bevæge sig ind i det ekstra rum, hvorfor har vi så ikke bemærket det før? Hvorfor forklarer den tredimensionale, omvendt kvadrat, standard lov bevægelserne af baseballs, raketter og fly så præcist? Det traditionelle svar i strengteori er, at de yderligere dimensioner er kompakte - krøllet sammen til endelige bittesmå cirkler. I lang tid antog man, at størrelsen af disse cirkler var den såkaldte Planck længde, omkring 10-15 meter, men nyligt teoretisk og eksperimentelt arbejde viser, at de kunne være op til 0,2 millimeter [se "The Universe's Unseen Dimensions," af Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos og Georgi Dvali; Scientific American, august 2000][Universets usete dimensioner]. Hvis dimensionerne er krøllet sammen griber de kun ind i gravitationens virkemåde på korte afstande - sammenlignelige med eller mindre end radius af de kompakte dimensioner. Over større afstande holder standard loven om gravitation.
Fra Fladland til fire dimensioner
Ideen om kompakte dimensioner har imidlertid sine vanskeligheder. Man kunne f.eks. spørge, hvorfor nogle dimensioner (de ekstra) er tæt knyttede, hvorimod andre (de kendte) fortsætter evigt. Sagt på en anden måde, under indflydelse af stoffet og energien i universet burde de sammenkrøllede dimensioner rette sig ud, medmindre noget stabiliserer dem. En interessant mulighed er, at magnetisk-lignende felter forudsagt af strengteori forhindrer dimensionerne i at enten skrumpe eller udvide sig. En anden mulig løsning dukkede op i 1999. Måske er alle dimensionerne, selv de ekstra, uendelige i størrelse. Det observerbare univers er en tredimensional overflade, eller membran ("bran" kort sagt), i en højere dimensioneret verden. Almindeligt stof er begrænset til branen, men nogle kræfter, som gravitation, kan undslippe. Gravitation har denne Houdini-lignende egenskab, fordi den er fundamentalt anderledes end andre kræfter. Ifølge kvantefeltteori bæres gravitationskraften af en speciel partikel kaldet gravitonen. Gravitationstiltrækning er resultatet af en strøm af gravitoner mellem to legemer, meget som kraften fra elektricitet eller magnetisme er resultatet af en strøm af fotoner mellem to ladede partikler. Når gravitationen er statisk, er disse gravitoner "virtuelle" - skønt deres virkninger kan måles, kan de ikke observeres som uafhængige partikler. Solen holder Jorden i kredsløb, fordi den udsender virtuelle gravitoner, som vor planet absorberer. "Virkelige" eller direkte observerbare gravitoner svarer til de gravitationsbølger, der afgives under visse omstændigheder [se "Ripples in Spacetime," af W. Wayt Gibbs; Scientific American, april 2002][Krusninger på rumtiden].
Tre måder at tilføje en dimension på
Som udtænkt i strengteorien er gravitoner, som alle partikler, i sidste ende vibrationer af små strenge. Men hvor elektronen, protonen og fotonen er vibrationer af strenge med åben slutning, som violinstrenge, er gravitonen vibrationer af en lukket ring, som en elestik. Joseph Polchinski fra Kavli Institute for Theoretical Physics i Santa Barbara har vist, at åbne strenges ender ikke kan flagre rundt; de skal være bundet fast til en bran. I kontrast hertil kan lukkede strenge som gravitonerne ikke sidde fast. De er fri til at udforske hele det 10-dimensionale rum. Men gravitoner kan ikke have fuldstændig frihed. Hvis de havde, ville gravitationens love klart fejle. Forfatterne af hypotesen om uendelige dimensioner, Lisa Randall fra Harvard University og Raman Sundrum fra Johns Hopkins University, foreslog, at gravitonerne hindres, fordi de ekstra dimensioner, ulig vore velkendte tre, er meget stærkt krummede og derved skaber en dal med stejle vægge, der er vanskelig at forlade. Tricket er, at fordi de ekstra dimensioner er så stærkt krummede, er deres rumfang effektivt endeligt, selv om de er uendelige i udstrækning. Hvordan kan et uendeligt rum have et endeligt rumfang? Forestil dig, at du hælder gin i et bundløst martiniglas, hvis radius skrumper omvendt proportionalt med dybden. Til at fylde glasset ville en endelig mængde gin række. På grund af glassets krumning er dets rumfang koncentreret nær toppen. Dette ligner meget det, der sker med Randall-Sundrum scenariet. Det ekstra rums rumfang er koncentreret omkring vor bran. Som konsekvens er en graviton tvunget til at tilbringe det meste af sin tid nær branen. Sandsynligheden for at detektere gravitonen svinder hurtigt som en funktion af afstand. I kvantesprog er gravitonens bølgefunktion spidset til ved branen - en virkning der henvises til som gravitationens lokalisering. Skønt det er begrebsmæssigt anderledes end ideen om kompakte dimensioner, har Randall-Sundrum scenariet omtrent samme resultat. Begge modeller modificerer gravitationsloven på korte afstande men ikke på store afstande, så ingen af dem har betydning for problemet med kosmisk acceleration.
Men en tredje indfaldsvinkel forudsiger sammenbruddet af gravitationens standardlove på kosmologiske skalaer og forklarer acceleration uden at skulle påkalde mørk energi. I 2000 foreslog Gregory Gabadadze og Massimo Porrati, som begge nu er på New York University, og jeg, at de ekstra dimensioner er nøjagtig som de tre dimensioner vi ser omkring os. De er hverken kompakte eller stærkt krummede. Alligevel er gravitonerne ikke fri til at bevæge sig, hvor de lyster. De er udstrålet fra stjerner og andre objekter placeret på branen; de kan udslippe ind i de ekstra dimensioner, men kun hvis de rejser en vis kritisk afstand. Gravitonerne opfører sig som lyd i en metalplade. Når man rammer pladen med en hammer skabes en lydbølge, der bevæger sig langs dens overflade. Men lydens udbredelse er ikke eksakt todimensional; en del af energien går tabt i den omgivende luft. Nær hammerslagets placering er denne energi ubetydelig. Længere væk bliver den imidlertid værd at lægge mærke til. Denne læk har en dyb indvirkning på gravitationskraften mellem objekter, der er adskilt af mere end den kritiske afstand. Virtuelle gravitoner udnytter enhver mulig rute mellem objekterne og lækken åbner op for et enormt antal mangedimensionale omveje, som forårsager en ændring i gravitationsloven. Virkelige gravitoner, der lækker bort, er simpelthen tabt for evigt og for de af os, der sidder fast på branen, ser det ud som om de er forsvundet i den tynde luft. De ekstra dimensioner afslører sig også på meget små skalaer, ligesom i de kompakte og Randall-Sundrum scenarierne. På mellemliggende afstande - større end strengenes størrelse, men mindre end lækafstanden - er gravitoner tredimensionale og adlyder den almindelige gravitationslov nært. Nøglen til dette scenarie er selve branen. Den er i sig selv et stofligt objekt og gravitation spredes anderledes gennem den end gennem det omgivende rum. Grunden er, at almindelige partikler som elektroner og protoner kan eksistere på branen og kun på branen. Selv en tilsyneladende tom bran indeholder en sydende masse af virtuelle elektroner, protoner og andre partikler, der hele tiden skabes og ødelægges af kvantesvingninger. Disse partikler både frembringer og reagerer på gravitation. Det omgivende rum er i kontrast hertil virkelig tomt. Gravitoner kan flagre gennem det men har intet at virke på undtaget hinanden. En analogi er et dielektrikum som plastic, keramik eller rent vand. Materialet indeholder, ulig et vakuum, elektrisk ladede partikler og kan reagere på et elektrisk felt. Skønt ladede partikler ikke kan strømme gennem et dielektrikum (som de kan gennem en elektrisk leder), kan de stadig omfordele sig inde i det. Hvis man tilføjer et elektrisk felt bliver materialet polariseret. I vand, f.eks., roterer molekylerne, så deres positive ender (de to brintatomer) peger i en retning og deres negative ender (iltatomet) peger i den modsatte retning. I natriumklorat bevæger de positive natriumioner og negative klorioner sig lidt væk fra hinanden. De omfordelte ladninger sætter deres eget elektriske felt op, som delvist udligner det ydre felt. Et dielektrikum kan således påvirke udbredelsen af fotoner, som ikke er andet end svingende elektriske og magnetiske felter. Fotoner trænger ind i et dielektrikum, polariserer det og bliver derefter delvist udlignet. For at skabe denne virkning skal en foton have en bølgelængde i et bestemt område: lang bølgelængde (lav impuls) fotoner er for svage til at polarisere et dielektrikum og kort bølgelængde (høj impuls) fotoner svinger for hurtigt til at de ladede partikler kan reagere. Af denne grund er vand gennemsigtigt for radiobølger (som har en lang bølgelængde) og for synligt lys (kort bølgelængde) men uigennemsigtigt for mikrobølger (mellemliggende bølgelængde). Mikrobølgeovne afhænger af denne virkning.
Den polariserede bran
På samme måde omdanner kvantesvingninger branen til den gravitationelle ækvivalente til et dielektrikum. Det er som om branen er befolket af positiv-energi og negativ-energi virtuelle partikler. Hvis man påtrykker et ydre gravitationsfelt bliver branen gravitationelt polariseret. Positiv-energi partikler bevæger sig lidt væk fra dem med negativ-energi. En graviton, som indeholder et svingende gravitationsfelt, kan polarisere branen og blive udlignet, hvis dens bølgelængde falder i det rigtige område - som, beregner vi, ligger mellem 0,1 millimeter (eller mindre, afhængigt af antallet af ekstra dimensioner) og omtrent 10 milliarder lysår. Denne udligning påvirker kun gravitoner, der bevæger sig ind i eller ud af branen. Gravitoner er, som fotoner, tværgående bølger: de svinger vinkelret på deres udbredelsesretning. En graviton, der går ind i eller ud af branen, har tendens til at skubbe til partikler langs branen, en retning som partiklerne kan bevæge sig i. Således kan disse gravitoner polarisere branen og derefter blive udlignet. Men gravitoner, der bevæger sig langs branen prøver at skubbe partikler ud af branen, en retning de ikke kan gå. Derfor polariserer disse gravitoner ikke branen. De bevæger sig uden af møde modstand. I praksis falder de fleste gravitoner mellem disse to yderligheder. De suser gennem rummet i en skrå vinkel til branen og kan dække milliarder af lysår, før de bliver udlignet.
På denne måde skærmer branen sig fra de ekstra dimensioner. Hvis en graviton af mellemliggende bølgelængde forsøger at undslippe fra eller trænge ind i branen, omfordeler partikler inde i branen sig og blokerer den. Istedet skal gravitonerne bevæge sig langs branen, så gravitationen følger en omvendt kvadrat lov. Gravitoner af lang bølgelængde er imidlertid fri til at passere gennem de ekstra dimensioner. Disse gravitoner er ubetydelige på korte afstande men dominerer på afstande, der er sammenlignelige med deres bølgelængde og de underminerer branens evne til at isolere sig fra de ekstra dimensioner. Loven om gravitation nærmer sig en omvendt kubik lov (hvis kun en af de ekstra dimensioner er uendelig), en omvendt fjerde-potens-lov (hvis to er uendelige) eller en endnu stejlere lov. I alle disse tilfælde svækkes gravitationen. Cédric Deffayet, som nu er på Paris Institute of Astrophysics, Gabadadze og jeg har fundet, at de ekstra dimensioner ikke blot tapper gravitationens styrke men også tvinger den kosmiske ekspansion til at accelerere uden noget behov for at betinge eksistensen af mørk energi. Det er fristende at sige, at ved at svække den gravitationelle lim, der forhaler ekspansionen, reducerer graviton lækage decelerationen, så meget at decelerationen bliver negativ - dvs. en acceleration. Men virkningen er mere dyb. Det har at gøre med, hvordan lækage ændrer almen relativitet. Den centrale ide i Einsteins teori er, at gravitation er en konsekvens af rumtidens krumning, som er forbundet med tætheden af stoffet og energien inde i den. Solen tiltrækker Jorden ved at forvrænge rumtiden omkring sig. Intet stof og ingen energi betyder ingen forvrængning og ingen gravitation. I teorien om højere dimensioner ændrer forholdet mellem krumning og tæthed sig imidlertid. De ekstra dimensioner indfører et korrigeringsled i ligningerne, som sikrer, at en tom brans krumning ikke er nul. Virkningen er, at graviton lækage lægger spænding på branen og giver den en forvrængning, som ikke kan reduceres og som ikke afhænger af stoffets tæthed og energien inde i den. I tidens løb, når stof og energi bliver fortyndet, daler krumningen, som de forårsager og derfor bliver den forvrængning, der ikke kan reduceres, mere og mere vigtig. Universets krumning nærmer sig en konstant værdi. Den samme virkning ville opstå, hvis universet blev fyldt af en substans, der ikke blev fortyndet med tiden. En sådan substans er intet andet end en kosmologisk konstant. Derfor virker forvrængningen, der ikke kan reduceres, som en kosmologisk konstant, der øger den kosmiske ekspansions hastighed.
Vor teori er ikke den eneste, der postulerer sammenbruddet af gravitationens standard lov på store afstande. I 2002 foreslog Thibault Damour og Antonios Papazoglou fra Institute for Higher Scientific Studies i Frankrig og Ian Kogan fra University of Oxford, at gravitoner kommer i en yderligere version - en som, ulig normale gravitoner, har en lille masse. Som fysikere længe har vidst, hvis gravitoner har masse, adlyder gravitationen ikke omvendt-kvadrat loven. De er ustabile og henfalder gradvist, med meget den samme virkning som graviton lækage: gravitoner, der rejser lange afstande, forsvinder, gravitationen bliver svagere og kosmisk acceleration accelererer. Sean Carroll, Vikram Duvvuri og Michael Turner fra University of Chicago og Mark Trodden fra Syracuse University har modificeret Einsteins teori i tre dimensioner ved at indføre små led, der er omvendt proportionale med rumtidskrumning. Sådanne led ville være ubetydelige i det tidlige univers, men ville sætte fart i ekspansionen senere. Andre forskningshold har også foreslået at modificere loven om gravitation, men deres forslag eliminerer ikke behovet for mørk energi som årsag til accelerationen. Observationer vil være den endelige voldgiftsmand af alle disse modeller. Supernova opmålinger giver en direkte test. Overgangen fra deceleration til acceleration er meget anderledes i et lækage scenarie end i andre mørk energi scenarier. Yderligere forbedringer af præcisionen af disse opmålinger kunne skelne mellem teorierne. Planetbevægelse giver en anden empirisk afprøvning. En gravitationsbølge kan, ligesom en almindelig elektromagnetisk bølge, have en foretrukken svingningsretning. Almen relativitet tillader to sådanne retninger, men alternative teorier om gravitation giver plads til flere. Disse yderligere muligheder modificerer gravitationskraften på en lille men bemærkelsesværdig måde og giver potentielt observerbare korrektioner til planetbevægelse. Andrei Gruzinov og Matias Zaldarriaga fra New York University og jeg har beregnet, at graviton lækage ville få månens bane til at præcessere langsomt. Hver gang månen fuldførte et kredsløb ville dets nærmeste punkt til Jorden flytte sig omkring en trilliontedel grad, eller omkring en halv millimeter. Denne bevægelse er næsten stor nok til at blive set af måne-afstands eksperimenterne, som overvåger månens kredsløb ved at kaste laserstråler fra spejle efterladt på måneoverfladen af Apollo astronauterne. Nuværende afstandsmålinger har en præcision på en centimeter og Eric Adelberger og hans kolleger på University of Washington foreslår, at bruge kraftigere lasere for at forbedre følsomheden 10 gange. Rumfartøjer kunne lede efter en lignende præcession af Mars' kredsløb. Selve den kendsgerning at observatører taler om at sondere strengteori er spændende. I årevis anså man teorien for at være en teori om det meget lille - så lille at intet eksperiment nogensinde kunne bevise eller modbevise den. Kosmisk acceleration kan være en bagrude af mulighed, en gave fra naturen, der lader os kigge ind i de ekstra dimensioner, der ellers er usynlige for os. Den kan være en bro mellem det meget lille og det ultrastore. Universets skæbne kan hænge i en streng.
The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Brian Greene. W.W. Norton, 2003.
An Alternative to Compactification. Lisa Randall og Raman Sundrum i Physical Review Letters, Vol. 83, No.23, side 4690-4693; 6. december, 1999. Findes online på http://arXiv.org/abs/hep-th/9906064
Accelerated Universe from Gravity Leaking to Extra Dimensions. Cédric Deffayet, Gia Dvali og Gregory Gabadadze i Physical Review D, Vol. 65, papir nummer 044023, 2002. http://arXiv.org/abs/astro-ph/0105068
The Accelerated Universe and the Moon. Gia Dvali, Andrei Gruzinov og Matias Zaldarriaga i Physical Review D, Vol. 68, papir nummer 024012; 2003. http://arXiv.org/abs/hep-ph/0212069
Tests of the Gravitational Inverse-Square Law. E.G. Adelberger, B.R. Heckel og A.E. Nelson i Annual Review of Nuclear and Particle Science, Vol. 53, siderne 77-121; december 2003. http://arXiv.org/abs/hep-ph/0307284
En introduktion til strengteori kan findes på http://superstringtheory.com
* Georgi Dvali voksede op i den tidligere republik Georgien og modtog sin Ph.D. fra Andronikashvili Institute of Physics i Tbilisi. Efter at have arbejdet på University of Pisa i Italien, på CERN nær Geneve og ved International Center for Theoretical Physics i Trieste sluttede han sig til fysikfakultetet på New York University. Han nyder at overvinde gravitationen med vandresport i bjergene såvel som at drage fordel af denne mystiske kraft ved at løbe slalom.
Fra Out of the Darkness, Scientific American, februar 2004, siderne 68-75.
15. februar, 2008.
2. Læsning af skabelsens blåtryk 3. Fra opbremsning til hastighedsøgning
|
