Νέα από το επιταχυνόμενο Σύμπαν

Αποχαιρετώντας τον Πήτερ Χίγκς. Περί Εκλείψεων. Η τεχνητή νοημοσύνη αρωγός και στην έρευνα για την ελεγχόμενη σύντηξη

Όπως θα έχετε ακούσει το Σύμπαν διαστέλλεται εδώ και 13,8 δις χρόνια, και όπως θα διαβάσατε στο προηγούμενο Νήμα Επιστήμες, όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται και με επιταχυνόμενο τρόπο. Το πιο εδραιωμένο μοντέλο στην Κοσμολογία περιγράφει αυτή την επιταχυνόμενη διαστολή με τη βοήθεια κάποιας αγνώστου προελεύσεως ενεργειακής πυκνότητας που διαπερνά τον κενό χώρο, αλλά είναι σταθερή στο χρόνο καθώς το σύμπαν εξελίσσεται. Συνήθως αποκαλείται Κοσμολογική σταθερά, αλλά το όνομα Σκοτεινή Ενέργεια χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο τελευταία. Το 70% της ενέργειας του Σύμπαντος έχει τη μορφή αυτής της Σκοτεινής Ενέργειας. Ένα κεντρικό ερώτημα, που καθορίζει και την τύχη του Σύμπαντος στο μακρινό μέλλον, είναι αν όντως η Σκοτεινή Ενέργεια είναι σταθερή στο χρόνο, ή αν μεταβάλλεται ελαφρά.

To Dark Energy Spectroscopic Instrument, ένα παρατηρησιακό πρόγραμμα στο τηλεσκόπιο Mayall στην Αριζόνα, που μετρά δεκάδες εκατομύρια Γαλαξίες και κβάζαρς για να κατασκευάσει έναν 3D χάρτη του Σύμπαντος σε βάθος 11 δις χρόνων, δημοσίευσε τα πρώτα αποτελέσματά του στις αρχές Απριλίου: τα δεδομένα τους είναι συμβατά με μια σταθερή στο χρόνο Σκοτεινή Ενέργεια, αλλά προτιμούν μια μεταβαλλόμενη Σκοτεινή Ενέργεια, που βαίνει ελαφρώς μειούμενη - λιώνει σιγά-σιγά όπως λένε στην επιστημοπνική αργκό. Αυτό θα σήμαινε ότι το Σύμπαν επιταχύνθηκε γρηγορότερα στο παρελθόν απ’ότι σήμερα. Φυσικά κάτι τέτοιο χρειάζεται επιβεβαίωση από περαιτέρω παρατηρήσεις, οι οποίες θα πάρουν χρόνο. Η προτίμηση στη μεταβαλλόμενη Σκοτεινή Ενέργεια έχει στατιστική βεβαιότητα στο επίπεδο των 2-3 τυπικών αποκλίσεων και η ιστορία της επιστήμης βρίθει από τέτοιες περιπτώσεις “ανακαλύψεων” που εξανεμίστηκαν με την αύξηση των μετρήσεων. Από την άλλη πλευρά, οποιαδήποτε πληροφορία γύρω από τη Σκοτεινή Ενέργεια, για την οποία δε γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα πέρα από την εμμέσως συναγόμενη ύπαρξή της, χαρακτηρίζεται ως απολύτως συγκλονιστική.

“Αν είναι αλήθεια, θα είναι το πρώτο πραγματικά καινούριο στοιχείο που έχουμε στην υπόθεση της Σκοτεινής Ενέργειας εδώ και 25 χρόνια”, λέει ο Adam Riess, στον οποίον απονεμήθηκε το Νόμπελ του 1998 για την ανακάλυψη του επιταχυνόμενου Σύμπαντος. “Όπως θα έλεγε και ο Biden, είναι BFD“ [σ.σ.: BFD = Big Fucking Deal].

Έχουμε πολλές θεωρίες για το τί μπορεί να είναι η Σκοτεινή Ενέργεια αν δεν είναι σταθερή, εννοείται. Οι περισσότερες έχουν ως κοινό στοιχείο ότι το απόλυτο κενό μέσα στο οποίο διαδραματίζεται η ιστορία του Κόσμου δεν αντιστοιχεί ακόμα στην κατάσταση ελάχιστης ενέργειας, αλλά οδεύει αργά προς αυτήν.

• Δείτε: οπτικοποίηση των μετρήσεων από 700.000 ουράνια αντικείμενα, το 1% από όσες θα συλλέξει το DESI συνολικά. Και ένα ακόμα βίντεο με επεξηγήσεις για τη μέθοδο μέτρησης του ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος, μέσω Βαρυονικών Ακουστικών Ταλαντώσεων (Baryon Accoustic Oscillations). Αυτό το βίντεο της NASA εξηγεί το φαινόμενο κάπως καλύτερα.

• Το άρθρο του Dennis Overbye, στους NYT, με καταπληκτικό γραφικό από τα δεδομένα του DESI.

Peter Higgs

O Peter Higgs μας άφησε στα 94 χρόνια του, πλήρης ημερών, στο σπίτι του στη Σκωτία. Το 1964, στα 35 του, βρέθηκε, σαν σχετικά νέος ερευνητής, στη θέση να κατανοεί δύο από τις πιο προχωρημένες έννοιες της θεωρητικής φυσικής τότε: την αυθόρμητη παραβίαση μιας συμμετρίας και τις θεωρίες βαθμίδας. Δεν ήταν ο μόνος. Έκανε τον παράτολμο συλλογισμό ότι σε μια τέτοια θεωρία βαθμίδας η αυθόρμητη παραβίαση της συμμετρίας δεν υπόκειται αναγκαστικά στα γνωστά ως τότε θεωρήματα. Δεν ήταν ο μόνος ούτε εδώ: παρόμοιες ιδέες είχε εξερευνήσει ο Άντερσον νωρίτερα, από την σκοπιά της θεωρίας στερεών σωμάτων, αλλά και οι Brout και Englert, και ο Guralnik και οι Haag και Kibble.

Ήταν όμως ο μόνος που αποτόλμησε την πρόβλεψη ότι αν υπάρχει ένα τέτοιο κβαντικό πεδίο (υπεύθυνο για την αυθόρμητη παραβίαση της συμμετρίας μιας θεωρίας βαθμίδας) τότε θα υπάρχει και ένα αντίστοιχο σωματίδιο. Ήταν επίσης ο μόνος που εκείνη την εποχή περιόδευε σε πανεπιστήμια στην Αμερική, και διέδωσε την ιδέα σε κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς, όπως ο Sidney Coleman και ο Steven Weinberg, που την ενσωμάτωσαν αργότερα στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Το σωματίδιο λεγόταν σύντομα σωματίδιο Higgs. Αλλά το 1964 δεν ήταν καθόλου ξεκάθαρο αν όλα αυτά θα είχαν οποιαδήποτε σημασία στον πραγματικό κόσμο: οι θεωρίες βαθμίδας δεν έδειχναν να έχουν οποιαδήποτε πρακτική εφαρμογή. Στα τέλη της δεκαετίας του ‘70 η κατάσταση είχε αλλάξει δραματικά υπέρ των θεωριών αυτών, το Καθιερωμένο μοντέλο είχε διατυπωθεί, το σωματίδιο του Higgs άρχισε να παίζει κεντρικό ρόλο στη φαντασία των φυσικών. Έπρεπε να περιμένουμε μέχρι το 2012, σχεδόν 50 χρόνια μετά τη διατύπωση της ιδέας, για να ανακαλυφθεί επιτέλους το περιώνυμο σωματίδιο.

Η καριέρα του Higgs προσέφερε λίγα πράγματα πέρα απ’αυτή τη μοναδική ιδέα. Δε θα ήταν υπερβολή να πούμε ότι και αυτή η ιδέα ήταν περισσότερο προϊόν της εποχής της παρά μια αναπάντεχη αστραπή στο μυαλό μιας ιδιοφυϊας: αν δεν την είχε προτείνει αυτός, σίγουρα θα την είχε προτείνει κάποιος άλλος αργά ή γρήγορα, και το πιθανότερο γρήγορα. Ο Peter Higgs έμοιαζε με έναν ποδοσφαιριστή που ενώ δεν έχει παίξει ποτέ, μπαίνει αλλαγή στο 85’, στον τελικό του Champions League, βρίσκεται με την μπάλα στα πόδια μέσα στην περιοχή και σκοράρει το νικητήριο γκολ, πριν αποσυρθεί και δεν ξαναπαίξει ποτέ πουθενά. Ήταν ταυτόχρονα και ένας γλυκύτατος άνθρωπος με πλήρη επίγνωση των παραπάνω. Απέφυγε σε όποιον βαθμό μπορούσε τις μεγάλες τιμές, δήλωσε επανηλειμμένα πως “στη σημερινή ανταγωνιστική εποχή αποκλείεται να έβρισκα μόνιμη θέση ερευνητή“ (και είχε δίκιο), απέρριπτε ευγενικά την ονομασία “το σωματίδιο του Θεού“ (“ορισμένοι άνθρωποι μπερδεύονται ανάμεσα στην επιστήμη και τη θεολογία”), δεν αποδεχόταν προσκλήσεις για ομιλίες, δεν είχε πολλά να πεί.

“Έχω γίνει μάλλον κυνικός σε σχέση με το σύστημα απονομής τιμών, να πώ την αλήθεια“, δήλωσε σχετικά με την άρνησή του να στεφθεί ιππότης του Βρετανικού στέμματος το 1999. “Υπερβολικά πολλές απ’αυτές τις τιμές χρησιμοποιούνται για πολιτικούς σκοπούς από όποια κυβέρνηση είναι στην εξουσία κάθε φορά“.

Παρ’όλα αυτά, ή ίσως εξαιτίας όλων αυτών, ο Peter Higgs ήταν ο αγαπημένος, ντροπαλός ήρωας του κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων.

Η Έκλειψη Ηλίου στις 8 Απριλίου

Η ολική έκλειψη πέρασε από τις ΗΠΑ και κατά συνέπεια μονοπώλησε το μηντιακό ενδιαφέρον για λίγες μέρες στις αρχές Απριλίου. Δείτε μια σειρά από εικόνες και time-lapses από τον ιστότοπο της NASA, που έχουν ενδιαφέρον. Για μια συνοπτική περιγραφή του γιατί είναι τόσο σπάνιες αυτές οι ολικές εκλείψεις, δείτε εδώ (scroll down), απ’όπου και το παρακάτω απόσπασμα:

“Ο ήλιος είναι πολύ μεγαλύτερος από το φεγγάρι, αλλά είναι και πολύ πιο μακριά. Παρ’όλα αυτά φαίνονται να έχουν σχεδόν το ίδιο γωνιακό μέγεθος στον ουρανό. […] Επίσης η κωνική σκιά του φεγγαριού όταν είναι μπροστά από τον ήλιο είναι πολύ μικρή, και πολλές φορές δεν φτάνει καν στη Γη, όταν το φεγγάρι είναι σε έκκεντρη θέση. […] Προσθέστε ότι η τροχιά του φεγγαριού είναι σε κλίση 5 μοιρών σε σχέση με την φαινόμενη τροχιά του ήλιου, και ότι οι σχετικές περίοδοι περιφοράς δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια η μια της άλλης, οπότε η ευθυγράμμιση είναι σχετικά σπάνια. […] Θα μπορούσαμε να έχουμε ένα μεγαλύτερο φεγγάρι, ένα μικρότερο φεγγάρι, ή πολλά φεγγάρια, ή και καθόλου φεγγάρι. Όμως έχουμε ένα φεγγάρι που είναι ακριβώς στο σωστό μέγεθος και στη σωστή απόσταση για να καλύπτει σχεδόν πλήρως τον ήλιο, αποκαλύπτοντας την ηλιακή κορώνα, που αλλιώς θα ήταν για πάντα χαμένη μέσα στην ηλιακή ατμόσφαιρα. Η σύμπτωση δεν είναι μόνο στο χώρο αλλά και στο χρόνο. […] Οι δεινόσαυροι είχαν λιγότερες από 24 ώρες σε κάθε ημέρα και το φεγγάρι ήταν πιο κοντά, άρα θα φαινόταν μεγαλύτερο, οπότε οι εκλείψεις θα ήταν πιο συχνές, αλλά θα είχαν χειρότερη θέα της ηλιακής κορώνας“.

Τεχνητή Νοημοσύνη στους αντιδραστήρες Σύντηξης

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες σύντηξης τύπου Τόκαμακ, που βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να συγκρατήσουν το πλάσμα στο εσωτερικό τους μακριά από τα τοιχώματα και τα όργανα μέτρησης. Η ισορροπία είναι εξαιρετικά λεπτή: οποιαδήποτε απόκλιση από την κανονική συμπεριφορά των μαγνητικών πεδίων θα αποβεί καταστροφική για τον πανάκριβο αντιδραστήρα. Επιπλέον, ενώ ξέρουμε τους βασικούς φυσικούς νόμους που διέπουν το σύστημα, ο ικανοποιητικός έλεγχος, σε πραγματικό χρόνο, κάθε μορφής αστάθειας που μπορεί να προκύψει αποδεικνύεται εξαιρετικά πολύπλοκο πρόβλημα. Ιδανικό πρόβλημα όμως για αλγόριθμους Τεχνητής Νοημοσύνης. Ένας τέτοιος αλγόριθμος, σχεδιασμένος από ένα εργαστήριο στο Princeton, προβλέπει ένα συγκεκριμένο είδος αστάθειας ένα τρίτο του δευτερολέπτου πριν συμβεί, χρόνος που είναι αρκετός για να αποτραπεί το ατύχημα.

“Δεν διδάσκουμε το μοντέλο ΤΝ όλη την πολύπλοκη φυσική ενός αντιδραστήρα σύντηξης,“ είπε ο Azarakhsh Jalalvand, ένας από τους συμμετέχοντες στην έρευνα. “Του λέμε ποιός είναι ο στόχος, τί να αποφύγει και τί κουμπιά μπορεί να πειράξει για να το πετύχει. Σιγά σιγά μαθαίνει το βέλτιστο τρόπο για να πετύχει υψηλή ισχύ αποφεύγοντας τις συνέπειες μιας αστάθειας.“

Στα γρήγορα

• Ηλεκτρόνια μόνο: Ο κρύσταλλος Wigner, ένα “υλικό” που αποτελείται μόνο από ηλεκτρόνια (δηλ. χωρίς ατομικούς πυρήνες) τα οποία σχηματίζουν κρυσταλλική δομή εξ’αιτίας της απωστικής δύναμης μεταξύ τους, μια θεωρητική ιδέα του Eugene Wigner από τη δεκαετία του ‘30, παρασκευάστηκε και μελετήθηκε οπτικά για πρώτη φορά από μια ομάδα στο πανεπιστήμιο Princeton.

  

• Ένα εντυπωσιακό γραφικό για την αρχιτεκτονική των σύγχρονων μικροτσίπ από τους Financial Times.

• Το πρωτόνιο είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο σύστημα όπου τρια κουάρκ και αναρίθμητα γλουόνια κυκλοφορούν αλληλεπιδρώντας σε πολύ μικρό χώρο, σε μια θάλασσα από έντονες διακυμάνσεις έως και εξωτικών σωματιδίων. Τα ξέρουμε όλα αυτά επειδή παρατηρούμε την αντίδραση του πρωτονίου όταν σκεδάζει υψηλής ενέργειας σωματίδια. Πρόσφατα έχουμε αρχίσει να εξετάζουμε τη δομή του πρωτονίου, όπως θα πρέπει να φαίνεται καθώς αλληλεπιδρά βαρυτικά. Δείτε εδώ την πολύ αναλυτική περιγραφή των σχετικών πειραμάτων, από το Quanta Magazine.

• Το βραβείο Άμπελ, στα μαθηματικά, απονεμήθηκε στον Michel Talagrand, για τη δουλειά του στη θεωρία πιθανοτήτων, τη θεωρία συναρτήσεων και τη στατιστική, αλλά και ειδικά για τις περίφημες ανισότητες που φέρουν το όνομά του, με εφαρμογές στα υπόλοιπα μαθηματικά, τη φυσική και τις εφαρμοσμένες επιστήμες. Αξίζει να δείτε την προσωπική του σελίδα, όπου, μεταξύ άλλων λέει: “αν έχετε απελπιστεί ψάχνωντας τα βιβλία μου και η βιβλιοθήκη της γειτονιάς σας δεν μπορεί να τα αγοράσει, προσπαθήστε να ψάξετε με τις λέξεις library genesis σε μια μηχανη αναζήτησης. Διαφωνώ με την πειρατεία, αλλά αυτός ο ιστότοπος με γλίτωσε από πολλά πήγαινε-έλα στη βιβλιοθήκη, η οποία δυστυχώς δεν διαθέτει ηλεκτρονικές μορφές παλιότερων βιβλίων”. Επίσης ενδιαφέρον έχει το σχόλιο του Peter Woit (από το Not Even Wrong) όπου περιγράφει την λεπτότητα με την οποία ο Talagrand μελέτησε και διόρθωσε λεπτομέρειες στο βιβλίο του Woit. Περισσότερες λεπτομέρειες για τη ζωή και τη δουλειά του Talgrand στο Quanta Magazine.

  

• Κόντρα στην εντύπωση ότι τα ηλιακά συστήματα είναι ευσταθή και απαράλλαχτα από γεννήσεώς τους στέκεται η διαρκώς επαναλαμβανόμενη διαπίστωση ότι μικρές εξωτερικές διαταραχές μπορούν να καταστρέψουν ένα πλανητικό σύστημα σε κοσμολογικούς χρόνους. Η διέλευση άλλων άστρων από το ηλιακό μας σύστημα θα μπορούσε επίσης να έχει επικαθορίσει τη δομή του, αλλά και τη θερμοκρασία της Γης στο μακρινό παρελθόν: 20 άστρα κατά μέσο όρο περνάνε σε απόσταση 3 και κάτι ετών φωτός από τον ήλιο μας κάθε ένα εκατομμύριο χρόνια. Υπάρχει ένα συγκεκριμένο που μπορεί να πέρασε αρκετά κοντά, 50 εκατομμύρια χρόνια πριν, σύμφωνα με αυτό το άρθρο στους ΝΥΤ. Για το πόσα στραβά μπορούν να πάνε τα πράγματα σε ένα ασταθές ηλιακό σύστημα, δείτε (η ακόμα καλύτερα, διαβάστε) το Πρόβλημα των Τριών Σωμάτων. Και για να δείτε ότι αυτά είναι βγαλμένα απ’τη ζωή, δείτε το “Άστρα που τρώνε πλανήτες αποκαλύπτουν το χάος στο Γαλαξία μας“ στο Nature.