The Cosmologist Who Dreams in the Universe’s Dark Threads

Το σύμπαν που μπορούμε να δούμε είναι μόνο ένα κλάσμα του μεγάλου κοσμικού πέρα. Γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες, άνθρωποι, δέντρα — όλα αυτά αποτελούν μόλις το 5% της ενέργειας και της ύλης στο σύμπαν. Μεταξύ της απτής ύλης, σε αντίθεση με τη μυστηριώδη κοσμική δύναμη διάσπασης που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, μόνο περίπου το 15% είναι το υλικό που μπορούμε να ανιχνεύσουμε. Όσο για τα υπόλοιπα, έρχεται με την άγνωστη μορφή που είναι γνωστή ως σκοτεινή ύλη.

Αυτή η ουσία δεν μπορεί να φανεί ή να κρατηθεί, ωστόσο οι κοσμολόγοι είναι σε γενικές γραμμές βέβαιοι ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη, επειδή είναι βοσκός γαλαξιών. Τεράστια φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης περιβάλλουν κάθε γαλαξία, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας, και αυτό το αόρατο υλικό μπορεί να λειτουργήσει ως φακός για να ανακατευθύνει το φως που εκπέμπεται από άλλους γαλαξίες, παραμορφώνοντας το όραμά μας για το βαθύ διάστημα. Η σκοτεινή ύλη καθοδηγεί επίσης τα σμήνη γαλαξιών καθώς εξελίσσονται και κινούνται μέσα στο σύμπαν.

Αλλά δεν έχουμε ιδέα πώς μοιάζει, τι ζυγίζει ή πώς λειτουργεί. Για δεκαετίες, οι φυσικοί έψαχναν για ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης σε τοποθεσίες που κυμαίνονται από βαθιά υπόγεια ορυχεία έως τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Όλες οι προσπάθειες έχουν αποδειχθεί κενές μέχρι στιγμής. Με άλλα λόγια, δεν ξέρουμε τι είναι το σύμπαν.

Όλα αυτά είναι εξαιρετικά περίπλοκα, μαθηματικά ανόητα, φιλοσοφικά βαθιά και, για θεωρητικούς όπως η Cora Dvorkin, είναι πολύ διασκεδαστικό.

Ως νεαρό κορίτσι στην Αργεντινή, ο Ντβόρκιν διάβαζε τον Στίβεν Χόκινγκ και προσηλώθηκε στις μεγαλύτερες ερωτήσεις που μπορούν να κάνουν οι άνθρωποι στον εαυτό μας. Μετακόμισε στις ΗΠΑ για να παρακολουθήσει μεταπτυχιακό στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Τώρα, ένας θεωρητικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο Ντβόρκιν βρίσκει νέους τρόπους για να κάνει αυτές τις μεγάλες ερωτήσεις και στη συνέχεια προσπαθεί να βρει τις απαντήσεις. Για αυτήν, η κοσμολογία είναι σαν τη φιλοσοφία, αλλά με δεδομένα.

Ο Ντβόρκιν ερευνά τη σχέση μεταξύ των καθημερινών σωματιδίων και των μυστηριωδών σωματιδίων που πρέπει να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη. Για πολλά χρόνια, οι ευνοημένοι υποψήφιοι για αυτά τα υποτιθέμενα σωματίδια ήταν ντροπαλά πράγματα που ονομάζονται ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Πειράματα που στοχεύουν στην ανίχνευση των WIMP αναζητούν τις τηλεκάρτες τους και όχι τα ίδια τα σωματίδια. Εάν έρθει ένα WIMP και χτυπήσει την κανονική ύλη, η κανονική ύλη θα υποχωρήσει με τρόπο που μπορεί να μετρηθεί — αν και πολύ προσεκτικά και με μεγάλη δυσκολία.

Το 2013, ο Dvorkin δημοσίευσε ένα πρωτοποριακό έγγραφο που εξέταζε σενάρια όπου η σκοτεινή ύλη δεν συμπεριφέρεται ως WIMP, αλλά στην πραγματικότητα προσκρούει σε συνηθισμένη ύλη. Η σκοτεινή ύλη και η συνηθισμένη ύλη μπορεί να διασχίσουν το κενό μαζί με τρόπους που δεν έχουμε ακόμη κατανοήσει. Ελπίζει να διερευνήσει αυτή τη θεωρία με ένα επερχόμενο πείραμα, το επίγειο πείραμα υποβάθρου κοσμικών μικροκυμάτων επόμενης γενιάς ή CMB-S4, το οποίο θα χρησιμοποιήσει μια συλλογή τηλεσκοπίων στην έρημο της Χιλής και στο Νότιο Πόλο.

Η έρευνα του Dvorkin βρίσκεται στο πλέγμα της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας, που έχουν φτάσει και οι δύο σε ένα περίεργο οροπέδιο. Και τα δύο πεδία χρειάζονται νέα στοιχεία, και ορισμένοι κοσμολόγοι ζητούν νέες έννοιες. Από τότε που οι επιστήμονες βρήκαν το μποζόνιο Higgs πριν από οκτώ χρόνια, τα πειράματα δεν έδειξαν πώς να προχωρήσουμε πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, το κύριο παράδειγμα που εξηγεί τα κοινά μας κοσμικά υποστρώματα. Ομοίως στην κοσμολογία, το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης Lambda (ΛCDM) λέει ότι υπάρχει σκοτεινή ενέργεια - το λάμδα - και σκοτεινή ύλη, αλλά δεν λέει τι είναι. Η Ντβόρκιν λέει ότι παρακινείται από όλες αυτές τις μη απαντήσεις.

«Ζούμε στη χρυσή εποχή της κοσμολογίας, των κοσμολογικών δεδομένων. Υπάρχουν τόσα πολλά τρέχοντα και επερχόμενα πειράματα, είναι σαν να είσαι κορίτσι σε ένα λούνα παρκ», είπε.

Quanta μίλησε με τον Dvorkin για τη φιλοσοφία, τις αλλαγές παραδειγμάτων στην επιστήμη, τα νετρίνα και τα ερωτήματα που μένουν να απαντηθούν στη χρυσή εποχή της κοσμολογίας. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Πώς ενδιαφέρθηκες για τη φυσική;

Όταν ήμουν πολύ μικρός διάβαζα πολύ. Ένα από τα βιβλία που ενέπνευσε πραγματικά το ενδιαφέρον μου ήταν το A Brief History of Time . Το διάβασα όταν ήμουν πολύ μικρός και ήμουν πολύ ενθουσιασμένος με ερωτήσεις που σχετίζονται με το σύμπαν. Είχα επίσης ενδιαφέρον για τις ανθρωπιστικές επιστήμες, τη φιλοσοφία και τα μαθηματικά. Συνειδητοποίησα ότι στην κοσμολογία, μπορούσα να συνδυάσω τα ενδιαφέροντά μου σε φιλοσοφικά ερωτήματα, εφαρμόζοντας τα μαθηματικά για να μελετήσω τι συμβαίνει στο σύμπαν.

Πώς μοιάζει η κοσμολογία με τη φιλοσοφία;

Μου αρέσει το γεγονός ότι με την κοσμολογία, μπορείτε να κάνετε βήματα για να προσπαθήσετε να απαντήσετε σε θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με το σύμπαν χρησιμοποιώντας κοσμολογικές παρατηρήσεις. Έτσι, χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα, μπορείτε να κατανοήσετε μερικά από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα του σύμπαντος. Και αυτό είναι που βρίσκω συναρπαστικό, σε αντίθεση με τη φιλοσοφία, για παράδειγμα, η οποία θέτει επίσης θεμελιώδη ερωτήματα για το σύμπαν, αλλά δεν ασχολείται με δεδομένα. Έχουμε τόσα πολλά δεδομένα. αυτό το κάνει συναρπαστικό.

Ξέρετε, είναι οι ερωτήσεις που ψάχνω. Για μένα, αυτή η αναζήτηση για τις σωστές ερωτήσεις που πρέπει να κάνω — τη στιγμή που ζούμε — είναι αυτό που με οδηγεί.

Αισθάνομαι ότι αυτή είναι μια χρυσή εποχή για την κοσμολογία. Έχουμε τόσα πολλά που ξέρουμε, ώστε να μπορούμε να κάνουμε πολύ καλές ερωτήσεις, και όμως τα κύρια πράγματα είναι ακόμα άπιαστα.

Ακριβώς. Υπάρχει ένα μοντέλο που εξηγεί το σύμπαν σε πολύ βασικό επίπεδο, αλλά δεν καταλαβαίνουμε πραγματικά τα κύρια συστατικά αυτού του μοντέλου. Για παράδειγμα, τι είναι το λάμδα στο Lambda-CDM και τι είναι το CDM στο Lambda-CDM, σωστά;

Γιατί το Lambda-CDM είναι η κορυφαία θεωρία για το τι είναι και τι κάνει η σκοτεινή ύλη;

Το Lambda-CDM εξηγεί πολύ καλά τις παρατηρήσεις σε μεγάλη κλίμακα.

Έχουμε δοκιμάσει αυτή τη θεωρία με διαφορετικά παρατηρήσιμα στοιχεία — με το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, με σμήνη γαλαξιών, με το δάσος Lyman-alpha. Και όλα αυτά συμφωνούν με αυτό που προβλέπεται από το πρότυπο μοντέλο Lambda-CDM για την κοσμολογία. Από κατασκευής, διαφορετικά μοντέλα σκοτεινής ύλης συμφωνούν καλά με τις παρατηρήσεις σε μεγάλη κλίμακα. Πρέπει — διαφορετικά δεν θα τα χρησιμοποιούσαμε.

Αλλά οι μικρές κλίμακες δεν έχουν μετρηθεί τόσο καλά, και γι' αυτό παρέχουν πρόσφορο έδαφος για τη δοκιμή διαφορετικών σεναρίων.

Λοιπόν, πώς κάνουμε δοκιμές σε μικρές κλίμακες;

Με την ερευνητική μου ομάδα όλα αυτά τα χρόνια, εξετάζαμε τον βαρυτικό φακό ως ανιχνευτή σκοτεινής ύλης σε μικρές κλίμακες.

Αυτό που εργαζόμαστε είναι ο φακός γαλαξία-γαλαξία. Αυτό που συμβαίνει λοιπόν είναι ότι έχετε έναν γαλαξία φόντου και έναν γαλαξία πρώτου πλάνου που εκτρέπει το φως λόγω της βαρύτητας. Ο γαλαξίας στο προσκήνιο εκτρέπει το φως που προέρχεται από την πηγή, επειδή παραμορφώνει το χωροχρονικό ύφασμα σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα.

Έτσι, από τη δική μας οπτική γωνία, αυτό που βλέπουμε είναι εκτεταμένα τόξα στον ουρανό που είναι οι εικόνες με φακό του γαλαξία φόντου. Και βλέπουμε αν ο γαλαξίας που κάνει τον φακό είναι αθόρυβος ή λείος. Προσπαθούμε να αναζητήσουμε συστάδες σκοτεινής ύλης με στατιστικό τρόπο. Εργαστήκαμε επίσης για την άμεση ανίχνευση αυτών των συστάδων χρησιμοποιώντας μεθόδους μηχανικής εκμάθησης και είδαμε ότι αυτές οι μέθοδοι μηχανικής μάθησης είναι αρκετά επιτυχημένες σε αυτό.

Μπορείτε να αντιστοιχίσετε τις ανιχνεύσεις που κάνετε στις μικρής κλίμακας διακυμάνσεις της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν και μπορείτε να βάλετε όρια σε διαφορετικές θεωρίες της σκοτεινής ύλης. Για παράδειγμα, όταν η σκοτεινή ύλη είναι «θερμή», κινείται πιο γρήγορα. Η θερμή σκοτεινή ύλη δεν επιτρέπει στην ύλη να συσσωρεύεται σε μικρές κλίμακες, σε μικρές περιοχές του χώρου. Η ψυχρή σκοτεινή ύλη, αντίθετα, έχει περισσότερη ύλη συγκεντρωμένη σε μικρές κλίμακες. Έτσι, μπορείτε να αρχίσετε να βάζετε όρια σε διαφορετικά σενάρια σκοτεινής ύλης.

Χρειαζόμαστε κάτι νέο για να μας βγάλει από αυτή τη νοοτροπία που βρισκόμαστε τις τελευταίες δύο δεκαετίες σχετικά με τη σκοτεινή ύλη; Είμαστε κάπως κολλημένοι;

Δεν είναι ότι έχουμε κολλήσει. Αντίθετα, υπάρχουν πολλές νέες ιδέες που αναδύονται τα τελευταία χρόνια. Με την κοσμολογία, μπορείτε να εξερευνήσετε έμμεσα τη φύση της σκοτεινής ύλης και αυτό προκαλεί μεγάλο ενδιαφέρον για διαφορετικούς τύπους μοντέλων.

Και έτσι δημιουργείτε νέα θεωρητικά μοντέλα και νέους τρόπους δοκιμής τους;

Ναι ακριβώς. Είναι πολύ διασκεδαστικό, ειδικά για επερχόμενα πειράματα όπως το CMB-S4, όπου συμμετείχα στο σχεδιασμό των πειραμάτων έτσι ώστε να μπορούμε να επιτύχουμε σημαντικές απαντήσεις σε σημαντικά θεμελιώδη ερωτήματα της φυσικής. Αυτό είναι πολύ διασκεδαστικό.

Όταν μιλάτε σε νεότερους για αυτό το θέμα, πώς μεταφέρετε ότι είναι διασκεδαστικό; Τι τους λέτε για αυτό που κάνετε και γιατί είναι τόσο σημαντικό;

Μου αρέσει να δίνω ομιλίες ειδικά είτε σε γυναίκες είτε σε νεαρά κορίτσια που θέλουν να γίνουν επιστήμονες, είτε σε άλλες υποεκπροσωπούμενες ομάδες. Σε αυτές τις συνομιλίες, προφανώς δεν χρησιμοποιώ τεχνική γλώσσα, αλλά προσπαθώ να μεταφέρω την αναζήτηση για τις ερωτήσεις που θέτουμε, καθώς και την αναζήτηση των απαντήσεων. Θέλουμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο τόπος όπου ζούμε. Αυτό είναι απλώς μια ποιότητα των ανθρώπων. Μας αρέσει να καταλαβαίνουμε πράγματα.

Στην αναζήτηση μιας απάντησης, ανοίγετε ένα εκατομμύριο νέες ερωτήσεις, και αυτός είναι ο τρόπος που θα λειτουργεί πάντα. Προσπαθούμε να πάρουμε απάντηση σε κάτι, και ποτέ δεν θα πάρουμε ακριβή απάντηση. Θα προσεγγίσουμε μια απάντηση. Είναι σαν να προσπαθείς να κάνεις τα κομμάτια του παζλ να είναι ακριβώς στη σωστή θέση. Δεν πρόκειται να ταιριάζει ποτέ ακριβώς, αλλά το προσεγγίζουμε. Και ενώ το προσεγγίζουμε, πολλά, πολλά άλλα ερωτήματα ανοίγονται. Αυτή είναι κάπως η φύση της επιστήμης. Ανοίγει έναν κόσμο ερωτήσεων. Όσο περισσότερα ξέρετε, τόσο περισσότερες ερωτήσεις μπορείτε να κάνετε και τόσο περισσότερη περιέργεια αποκτάτε.

Έχω γράψει πολλά πρόσφατα για την πρώιμη επιστήμη, που κυμαίνονται από πολιτισμούς στη Μεσοποταμία μέχρι τον Γαλιλαίο και τους φίλους του. Και είναι διασκεδαστικό να μαθαίνεις πόσα έμαθαν και πόσο γρήγορα τα έμαθαν. Και νιώθω ότι είναι κάπως με τον ίδιο τρόπο τώρα. Είναι εύκολο να ξεχάσουμε ότι μόλις μάθαμε για τη σκοτεινή ύλη πριν από 50 χρόνια και μάθαμε για τη σκοτεινή ενέργεια μόλις πριν από 20 χρόνια. Αυτό είναι πραγματικά νέο!

Ναι. Νομίζω ότι είναι πολύ δύσκολο να βάλουμε τον εαυτό μας σε ένα πλαίσιο σε σχέση με τη στιγμή που πραγματικά ζούμε. Είναι δύσκολο να συζητήσουμε σύγχρονες ανακαλύψεις στο πλαίσιο της εποχής μας, όταν ζούμε στην εποχή μας. Είναι πιο εύκολο να βάλουμε το πλαίσιο στη θέση του όταν μιλάμε για το παρελθόν. Αλλά όπως λέτε, η σκοτεινή ύλη ανακαλύφθηκε πριν από 50 χρόνια και η σκοτεινή ενέργεια ανακαλύφθηκε πριν από δύο δεκαετίες. Οπότε σίγουρα δεν έχει περάσει τόσος καιρός σε σύγκριση με την ιστορία της ανθρωπότητας.

Υπάρχουν θεωρίες που σας είναι πραγματικά πειστικές σχετικά με αυτά τα πράγματα, και ειδικά για τη φύση της σκοτεινής ύλης;

Δεν έχω αγαπημένη θεωρία. Το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς μου αυτές τις μέρες, και πιθανώς από την αρχή, βασίζεται πραγματικά σε τρόπους μάθησης για τη σκοτεινή ύλη ανεξάρτητους από μοντέλα. Έτσι, για παράδειγμα, αυτές τις μέρες προσπαθώ να μάθω για τη σκοτεινή ύλη σε μικρές κλίμακες χρησιμοποιώντας βαρυτικό φακό. Και η ομορφιά αυτού είναι ότι δεν βασίζεται σε κάποια συγκεκριμένη σύζευξη μεταξύ του σκοτεινού τομέα και του Καθιερωμένου Μοντέλου μας. Προσπαθώ να το χαρτογραφήσω χωρίς να βασίζομαι σε κάποια συγκεκριμένη θεωρία. Και γενικά, το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς μου βασίζεται σε ανεξάρτητους από μοντέλα ανιχνευτές σκοτεινής ύλης ή όσο μπορώ να τους κάνω ανεξάρτητους από μοντέλα. Οπότε, όχι, δεν έχω μια αγαπημένη θεωρία.

Μου αρέσουν πολύ τα νετρίνα. Υπηρέτησα μια εργασία σχετικά με τη μάζα των νετρίνων και την κοσμολογία για τη δεκαδική έρευνα πέρυσι. Ένα από τα κύρια ενδιαφέροντα πράγματα για τα νετρίνα είναι ότι είναι τα μόνα στοιχεία που έχουμε αυτή τη στιγμή για νέα φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Μερικά από τα έργα σας, που χρονολογούνται από την εργασία σας του 2013, διερευνούν την πιθανότητα η σκοτεινή ύλη να είναι κάτι διαφορετικό από τα WIMP. Πώς θα ήταν αυτά τα διαφορετικά σωματίδια και πώς θα αλληλεπιδρούσαν με την κανονική ύλη;

Θεωρούμε ελαφρύτερες μάζες και θεωρούμε μεγαλύτερες διατομές. Η διατομή περιγράφει την πιθανότητα ένα σωματίδιο να εκτραπεί από μια δεδομένη γωνία κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης.

Το σωματίδιο σε αυτό το σενάριο δεν θα ήταν WIMP, επειδή η διατομή του με την κανονική ύλη είναι πολύ υψηλότερη από αυτή του WIMP. Θα μπορούσε να είναι ένα σωματίδιο που παράγεται από αδύναμες αλληλεπιδράσεις σωματιδίων τυπικού μοντέλου που εκμηδενίζουν και παράγουν σκοτεινή ύλη, σε αντίθεση με τον γενικό μηχανισμό, όπου η σκοτεινή ύλη εξαφανίζεται για να παράγει τυπικά σωματίδια.

Δεν υπάρχει αρκτικόλεξο και συγκεκριμένο όνομα, γιατί αυτό το σωματίδιο μπορεί να είναι πολλά πράγματα.

Ήθελα να τελειώσω ρωτώντας πού θα πάμε μετά. Υπάρχουν όλα αυτά τα πραγματικά σημαντικά, θεμελιώδη ερωτήματα στα οποία δεν γνωρίζουμε την απάντηση. Ποια πιστεύετε ότι θα είναι η επόμενη τεράστια, σαγηνευτική ανακάλυψη που θα απαντά πραγματικά σε ορισμένες θεμελιώδεις ερωτήσεις;

Αν σας έλεγα ποια θα είναι η επόμενη σημαντική ανακάλυψη, θα έλεγα ψέματα, αλλά είμαι σίγουρα σίγουρος ότι με τον αριθμό των τρεχουσών και επερχόμενων πειραματικών προσπαθειών που έχουμε, θα μάθουμε πολύ περισσότερα για τον σκοτεινό τομέα την επόμενη δεκαετία. Θέλω να πω, θα είναι πραγματικά εντυπωσιακό. Νομίζω ότι θα μάθουμε πολλά για τη φύση της σκοτεινής ύλης. Θα μάθουμε πολλά για τις ιδιότητες των νετρίνων. Πιστεύω λοιπόν ότι στον τομέα της σκοτεινής ύλης και του σκοτεινού τομέα γενικότερα, θα σημειώσουμε μεγάλη πρόοδο την επόμενη δεκαετία. Είναι ένας τομέας στον οποίο μπορεί να σημειωθεί πρόοδος σε πολλά διαφορετικά μέτωπα.