Έξτρα διαστάσεις στο Σύμπαν; Η πιο τρελή ιδέα της φυσικής επιστρέφει στο προσκήνιο

Εδώ και πάνω από έναν αιώνα, η ιδέα ότι το Σύμπαν μπορεί να διαθέτει περισσότερες διαστάσεις από τις τέσσερις που αντιλαμβανόμαστε — μήκος, πλάτος, ύψος και χρόνο — στοιχειώνει τη θεωρητική φυσική. Το 1919, ο Theodor Kaluza πρότεινε ότι μια πέμπτη διάσταση θα μπορούσε να ενώσει ηλεκτρομαγνητισμό και βαρύτητα σε μια ενιαία θεωρία. Κανείς δεν είχε αποδείξεις τότε, ούτε και σήμερα, όμως η υπόθεση παραμένει ζωντανή επειδή δίνει λύσεις σε μερικά από τα πιο πεισματικά μυστήρια του Σύμπαντος.

Το μεγαλύτερο από αυτά είναι το λεγόμενο πρόβλημα της ιεραρχίας: η βαρύτητα είναι αδικαιολόγητα αδύναμη. Συγκρινόμενη με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, είναι δισεκατομμύρια φορές ασθενέστερη, κάτι που δεν εξηγείται από τα καθιερωμένα μοντέλα της φυσικής. Μια παράξενη, αλλά θελκτική ιδέα θέλει τη βαρύτητα να μην περιορίζεται στις τέσσερις διαστάσεις που γνωρίζουμε. Αντίθετα, θα μπορούσε να «ξεφεύγει» σε έξτρα διαστάσεις, μοιράζοντας την έντασή της σε έναν μεγαλύτερο χώρο και εμφανιζόμενη εξασθενημένη στη δική μας πραγματικότητα.

Αυτό, βέβαια, ανοίγει ένα ακόμη μεγαλύτερο ερώτημα: αν υπάρχουν αυτές οι διαστάσεις, γιατί δεν τις νιώθουμε; Η απάντηση που δίνουν οι θεωρητικοί είναι ότι οι διαστάσεις είναι τόσο εξαιρετικά μικρές και «τυλιγμένες» πάνω στον εαυτό τους, που περνάμε μέσα από αυτές διαρκώς χωρίς να το αντιλαμβανόμαστε. Κάθε μας βήμα θα διέσχιζε τρισεκατομμύρια φορές αυτές τις καμπυλωμένες μικρο-διαστάσεις, χωρίς καμία αντιληπτή διαφορά.

Η ιδέα αυτή δεν περιορίζεται στη Θεωρία των Χορδών, όπου οι έξτρα διαστάσεις αποτελούν θεμελιώδη προϋπόθεση. Αντίθετα, μπορεί να σταθεί αυτόνομα. Για να εξηγήσει την αδυναμία της βαρύτητας, οι έξτρα διαστάσεις θα έπρεπε να έχουν μέγεθος περίπου ένα δέκατο του χιλιοστού — ασύλληπτα μεγάλο για τα δεδομένα της κβαντικής φυσικής. Και όμως, επειδή μόνο η βαρύτητα έχει πρόσβαση σε αυτές τις διαστάσεις, δεν θα είχαμε παρατηρήσει τίποτα περίεργο μέχρι σήμερα.

Κι εκεί που κάποιος θα νόμιζε πως το ζήτημα είναι καθαρά θεωρητικό, έρχεται μια έξυπνη σκέψη: ίσως μπορούμε να εντοπίσουμε τις έξτρα διαστάσεις έμμεσα. Φανταστείτε ένα σφιχτά τυλιγμένο χαρτονένιο σωλήνα. Αν ένα σωματίδιο, όπως ένα φωτόνιο, περνούσε κατά μήκος του, θα κινούνταν ταυτόχρονα και γύρω από την καμπύλη του σωλήνα. Σε μακροσκοπική κλίμακα δεν θα βλέπαμε αυτή την περιφερειακή κίνηση, αλλά θα βλέπαμε το σωματίδιο να επιβραδύνεται. Σωματίδια που κινούνται πιο αργά από το φως έχουν μάζα. Άρα, αν τα φωτόνια επισκέπτονταν έξτρα διαστάσεις, δεν θα ήταν άμαζα.

Ομοίως, πιστεύουμε ότι η βαρύτητα μεταφέρεται από τα υποθετικά σωματίδια που ονομάζουμε βαρυτόνια. Αν αυτά μπορούσαν να ταξιδεύουν σε έξτρα διαστάσεις, θα εμφανίζονταν με μάζα. Και μάλιστα όχι μία, αλλά μια απειρία από πιθανές μάζες λόγω της κυματικής φύσης των κβαντικών σωματιδίων. Άρα, ο καλύτερος τρόπος να εντοπίσουμε έξτρα διαστάσεις είναι να ψάξουμε γι’ αυτά τα βαριά τύπου-βαρυτονίου σωματίδια σε επιταχυντές υψηλής ενέργειας.

Το πρόβλημα; Δεν τα έχουμε βρει σε καμία μέχρι τώρα αναζήτηση. Αυτό δεν αποκλείει την ύπαρξη έξτρα διαστάσεων, αλλά υποδηλώνει ότι, αν υπάρχουν, πρέπει να είναι εξαιρετικά μικρές. Μικρότερες από όσο χρειαζόταν για να λύσουν το πρόβλημα της ιεραρχίας, άρα η κομψή εξήγηση φαίνεται να διαλύεται.

Ή ίσως όχι. Το 1999, οι Lisa Randall και Raman Sundrum πρότειναν μια επέκταση της θεωρίας: οι έξτρα διαστάσεις δεν χρειάζεται να είναι επίπεδες. Μπορεί να έχουν καμπυλότητα. Αυτή η λεπτομέρεια αλλάζει τα πάντα. Με καμπυλωμένες διαστάσεις, το μέγεθός τους μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να αποδυναμώνει τη βαρύτητα, αλλά τα βαρυτόνια να παραμένουν αόρατα στις σημερινές πειραματικές δυνατότητες.

Πρακτικά, αυτό ανοίγει χώρο για ένα μοντέλο όπου η βαρύτητα εξακολουθεί να ξεφεύγει σε κρυφές διαστάσεις, αλλά οποιαδήποτε απόδειξη για την ύπαρξή τους παραμένει εκτός της εμβέλειας των επιταχυντών που διαθέτουμε.

Η εικόνα που προκύπτει είναι απογοητευτική και συναρπαστική ταυτόχρονα. Από τη μία, δεν έχουμε ούτε μία πειραματική ένδειξη ότι το Σύμπαν κρύβει διαστάσεις πέρα από αυτές που γνωρίζουμε. Από την άλλη, οι θεωρίες που τις προβλέπουν δίνουν απαντήσεις σε πραγματικά προβλήματα της φυσικής. Αν κάποτε καταφέρουμε να τις επιβεβαιώσουμε, ίσως να αναγκαστούμε να ξαναγράψουμε όσα πιστεύουμε για τον χώρο, τον χρόνο και την ίδια τη βαρύτητα.