Δευτέρα, 2 Απριλίου 2018

Τι υπήρχε πριν την Μεγάλη Έκρηξη;





Κάθε φορά που ένας κοσμολόγος δίνει μια δημόσια διάλεξη, πάντα κάποιος από το ακροατήριο σηκώνει το χέρι του για να ρωτήσει: «και τι υπήρχε πριν από την Μεγάλη Έκρηξη;»

«Υπάρχει μία στάνταρ απάντηση που μπορεί να δώσει κανείς», λέει ο Glenn Starkman, φυσικός στο πανεπιστήμιο Case Western Reserve. «Λέμε πως η ερώτηση δεν έχει νόημα, όπως ακριβώς δεν έχει νόημα να ρωτάμε, ‘τι βρίσκεται νοτιότερα από τον Νότιο Πόλο».



Ο λόγος είναι ο εξής: Αν μαζί με την Μεγάλη Έκρηξη ξεκίνησε κι ο ίδιος ο χρόνος, τότε δεν έχει νόημα να ρωτάμε τι υπήρχε πριν, γιατί απλά δεν υπάρχει «πριν». Αλλά και ο ίδιος ο Starkman γνωρίζει ότι η απάντηση αυτή δεν είναι ικανοποιητική.

Σήμερα διαθέτουμε μια θεωρία για το τι συνέβη σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Κατά την διάρκεια των πρώτων ελάχιστων κλασμάτων δευτερολέπτου της ύπαρξης του σύμπαντος, το «πληθωριστικό» μοντέλο μας λέει ότι το σύμπαν επεκτάθηκε σαν ένα μπαλόνι, πολλαπλασιάζοντας το μέγεθός του ξανά και ξανά μέχρι να φτάσει στον «κανονικό» ρυθμό διαστολής του. Όμως, αν επιχειρήσουμε να κοιτάξουμε πίσω, πριν τον πληθωρισμό, προς την «χρονική στιγμή μηδέν» – η γενική σχετικότητα «καταρρέει».

Οι περισσότεροι φυσικοί θεωρούν ότι σ’ αυτή την «εποχή της κβαντικής βαρύτητας» το σύμπαν ήταν περίπου 10 24 φορές μικρότερο από ένα άτομο και είχε θερμοκρασία περί τους 10 32 βαθμούς Κέλβιν. Σ’ αυτές τις συνθήκες ο χώρος και ο χρόνος συμπεριφέρεται σαν το νερό που κοχλάζει, ενώ υπάρχουν θεωρητικοί φυσικοί που προσπαθούν να τις περιγράψουν με τα μαθηματικά. Με κάποιο τρόπο, ο χρόνος όπως τον ξέρουμε αναδύθηκε από την κατάσταση της σχεδόν άπειρης πυκνότητας που επικρατούσε. Ή μπορεί ο χρόνος να υπήρχε ήδη και αυτό που αναδύθηκε ήταν το «βέλος» του χρόνου, που δείχνει προς το μέλλον.

Η επικράτηση της θεωρίας του Big Bang, ωστόσο, δεν σημαίνει πως δεν εμφάνισε και δεν εμφανίζει ακόμη σημαντικότατα προβλήματα. Η ίδια η εξέλιξή της, άλλωστε, και η εξακολουθητική τροποποίηση πολλών από τα θεμελιώδη αρχικά χαρακτηριστικά της το φανερώνει. Η ειδική «ρύθμιση» των πρόσθετων στοιχείων -όπως η σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια ή ο πληθωρισμός, δηλαδή η πρόταση πως σε μια αρχική, απειροελάχιστη χρονικά, φάση αμέσως μετά την «αρχή», η ταχύτητα διαστολής υπήρξε ασύλληπτα μεγαλύτερη από αυτήν του φωτός1– ώστε να συμφωνήσουν με τις παρατηρήσεις είναι ενδεικτική.

Αν δούμε συνοπτικά το καθιερωμένο σενάριο μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε τον αυθαίρετο χαρακτήρα πολλών από τις βασικές προσαρμογές. Έτσι, εκεί που όλα ξεκίνησαν με ένα πολύ απλό μοντέλο, βάσει του οποίου το αρχικό ανεξήγητο συμβάν της Μεγάλης Έκρηξης ακολούθησε η διαστολή του Σύμπαντος και η «τακτοποιημένη» εμφάνιση της ακτινοβολίας και της ύλης, των στοιχειωδών σωματιδίων και της νουκλεοσύνθεσης, των ατόμων και των μορίων, για να ακολουθήσει η δημιουργία των γαλαξιών, των άστρων και των αστρικών συστημάτων, τα κενά που ανέκυψαν λόγω κυρίως των παρατηρήσεων μεγάλης κλίμακας έκαναν αναγκαία τη ριζική τροποποίησή του.

Προστέθηκε, λοιπόν, και η αρχική πληθωριστική φάση, κατά την οποία μια μικρή περιοχή του αρχέγονου Σύμπαντος -το σημερινό αστρονομικό μας Σύμπαν- διογκώθηκε σε μέγεθος κατά ένα γκούγκολ (10100, δηλαδή ο αριθμός 1 ακολουθούμενος από 100 μηδενικά!) μέσα σε ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού (10-30) του δευτερολέπτου. Μετά από αυτήν την δραματική παρεμβολή τα πράγματα ακολούθησαν το δρόμο τους, όπως περίπου το αρχικό μοντέλο περιέγραφε.

Ένα βασικό σενάριο δέχεται πως ο πληθωρισμός κράτησε μόλις 10-30δευτερόλεπτα και στο χρόνο αυτό το Σύμπαν διπλασιάζονταν κάθε 10-35 δευτερόλεπτα, με αποτέλεσμα να διπλασιαστεί 100.000 φορές μέσα στα 10-30δευτερόλεπτα. Η εισαγωγή της ιδέας του πληθωρισμού υπήρξε αναγκαία προκειμένου να απαντηθούν τα τρία μεγάλα αινίγματα της σύγχρονης κοσμολογίας: της ομοιογένειας, της ελάχιστης αναγκαίας ανομοιογένειαςκαι της επιπεδότητας του σημερινού Σύμπαντος, όπως προκύπτει από όλες τις παρατηρήσεις και έμεναν ολοκληρωτικά ανεξήγητα στο πλαίσιο της αρχικής εκδοχής της Μεγάλης Έκρηξης.

Αλλά το πρόβλημα με την περιγραφή της γέννησης του σύμπαντος είναι ότι πρόκειται για ένα γεγονός που συνέβη μόνο μια φορά και δεν υπήρχε κανείς για να κάνει παρατηρήσεις εκεί, αλλά και το ότι δεν υπάρχει μια πλήρης θεωρία κβαντικής βαρύτητας για την περιγραφή του χωροχρόνου στις εξαιρετικά τεράστιες πυκνότητες ύλης-ενέργειας που κυριαρχούσαν όταν πραγματοποιήθηκε το Big Bang.

Όμως κάποιο φυσικοί πιστεύουν ότι ο χρόνος δε ξεκίνησε με την Μεγάλη Έκρηξη, αλλά ότι αναδύθηκε με κάποιο τρόπο όταν το σύμπαν έφθασε σε κάποιο βαθμό πολυπλοκότητας. Άλλοι υποστηρίζουν ότι το σύμπαν κάνει κύκλους, μια αιώνια διαδοχή διαστολών και συστολών. Αν αυτό το «κυκλικό» μοντέλο είναι σωστό, η Μεγάλη Έκρηξη δεν αποτελεί την αρχή, αλλά την μετάβαση από μια προηγούμενη εποχή.



Το κυκλικό μοντέλο του σύμπαντος

Μια άλλη πιθανότητα είναι το σύμπαν μας να είναι ένα από αμέτρητα «σύμπαντα φυσαλίδες» που εμφανίζονται συνεχώς σε ένα «πολυσύμπαν».

Άραγε, έχουμε φτάσει κοντά στην απάντηση της ερώτησης «τι υπήρχε πριν;»

Ο Starkman λέει πως όχι. Και είναι ασαφές το πότε οι αστρονομικές παρατηρήσεις θα δώσουν στοιχεία για το ζήτημα αυτό. Ίσως, αν κατασκευάζαμε έναν τεράστιο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα, θα υπήρχε η ελπίδα να ανιχνεύσουμε τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα που δημιουργήθηκαν από την Μεγάλη Έκρηξη.

Στην εικόνα των Πωλ Στάινχαρντ-Νιλ Τούροκ (Αέναο σύμπαν) το Σύμπαν μας είναι μέλος ενός ζεύγους Συμπάντων (ενός ζεύγους τρισδιάστατων βρανών), εμβαπτισμένων σε ένα πολυδιάστατο συνεχές. Ένα μικροσκοπικό κενό κατά μήκος μιας 4ης διάστασης χωρίζει τον καθημερινό τρισδιάστατο «κόσμο» μας -όλα τα πράγματα που μπορούμε να αγγίξουμε, να αισθανθούμε ή να δούμε- από έναν άλλο, απρόσιτο και τρισδιάστατο «κόσμο», τον οποίο δεν μπορούμε να νιώσουμε με τις αισθήσεις μας. Τα άτομα και το φως μπορούν να κινηθούν κατά το ύψος, το μήκος και το πλάτος αυτού του κόσμου, όμως οι νόμοι της θεωρίας των χορδών απαγορεύουν την κίνησή τους στην πρόσθετη διάσταση. Ο δεύτερος κόσμος διαθέτει τις δικές του μορφές ύλης και φωτός, αλλά ούτε αυτές μπορούν να διασχίσουν την τέταρτη διάσταση Το αποτέλεσμα είναι οι δύο κόσμοι να παραμένουν πλήρως απομονωμένοι ο ένας από τον άλλο, με μία εξαίρεση: αλληλεπιδρούν με τη μεσολάβηση της δύναμης της βαρύτητας», κατά μήκος της τέταρτης διάστασης. Με αυτόν τον τρόπο έλκει ο ένας κόσμος τον άλλο, με αποτέλεσμα να προσεγγίζουν και να συγκρούονται μεταξύ τους σε τακτά χρονικά διαστήματα. Το γεγονός της σύγκρουσης είναι αυτό που λέμε Μεγάλη Έκρηξη. Όλα τ’ άλλα έπονται κανονικά!


Αέναο σύμπαν: Τι υπήρχε πριν από τη μεγάλη έκρηξη; Πωλ Στάινχαρντ, Νιλ Τούροκ (εκδ. Αβγό) Οι δύο κοσμολόγοι προτείνουν μια διαφορετική, επαναστατική κοσμολογία: αυτό που θεωρούσαμε ως σήμερα «στιγμή της δημιουργίας», ήταν απλώς ένα επεισόδιο ενός άπειρου κύκλου τιτάνιων συγκρούσεων ανάμεσα στο δικό μας σύμπαν και σ’ έναν παράλληλο κόσμο. Η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή του χρόνου, αλλά μια γέφυρα από ένα παρελθόν γεμάτο ατελείωτα επαναλαμβανόμενους κύκλους εξέλιξης, κάθε ένας από τους οποίους συνοδευόταν από τη δημιουργία νέας ύλης και το σχηματισμό νέων γαλαξιών, αστέρων και πλανητών.

Σε μια άλλη θεωρία του Δικέφαλου Χρόνου (Two-Headed Time), που ανέπτυξαν οι Sean Carrol και Alan Guth. ο χρόνος υπήρχε πάντα. Αλλά σε αντίθεση με το στατικό μοντέλο του σύμπαντος που οραματίστηκαν οι Αριστοτέλης, ο Νεύτωνας και Αϊνστάιν, αυτό το σύμπαν αλλάζει καθώς οι αιώνες διαδέχονται ο ένας τον άλλον. Η εξέλιξη του σύμπαντος είναι συμμετρική ως προς τον χρόνο, έτσι ώστε η συμπεριφορά του σύμπαντος πριν από την Μεγάλη Έκρηξη να είναι μια κατοπτρική εικόνα της εξέλιξής του μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Μέχρι πριν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν συρρικνωνόταν. Έφτασε σε ένα ελάχιστο μέγεθος κατά το Big Bang (στο οποίο ο χρόνος t = 0) και έκτοτε διαστέλλεται από τότε.

Εάν σκέφτεστε τον χρόνο σαν έναν μακρύ δρόμο και το Big Bang ως μια κοιλότητα κάπου στον δρόμο αυτό, τότε ένα σημάδι στην κοιλότητα (Big Bang) που θα σας δείχνει την κατεύθυνση προς το μέλλον, θα έχει δύο βέλη που δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις. Εξ ου και το όνομα Two-Headed Time. Κοντά στην ίδια την κοιλότητα, που βρίσκεται ανάμεσα στα δύο βέλη, ο χρόνος δεν θα είχε σαφή κατεύθυνση. Ο χρόνος θα ήταν μπερδεμένος.

Σύμφωνα με τους Carroll και Guth, η θεωρία του Δικέφαλου Χρόνου (Two-Headed Time) θα μπορούσε να γίνει ακόμη πιο περίπλοκη και περίεργη. Το σημείο του ελάχιστου μεγέθους και της μέγιστης τάξης του σύμπαντος (ελάχιστης εντροπίας) μπορεί να μην ήταν η Μεγάλη Έκρηξη του σύμπαντοςμας, αλλά η Μεγάλη Έκρηξη άλλου σύμπαντος, κάποιο είδος Μεγάλου Πρωτοσύμπαντος. Το σύμπαν μας, και ίσως ένας άπειρος αριθμός από σύμπαντα, θα μπορούσε να έχει γεννηθεί από αυτό το γονικό σύμπαν και κάθε ένα από τα σύμπαντα θα μπορούσε να έχει το δικό του Big Bang. Η διαδικασία της ωοτοκίας των νέων Κόσμων από ένα γονικό σύμπαν ονομάζεται Αιώνιος Πληθωρισμός.

Η ιδέα αυτή αναπτύχθηκε από τους κβαντικούς κοσμολόγους στις αρχές της δεκαετίας του ’80. Εν συντομία, ένα ασυνήθιστο ενεργειακό πεδίο (αλλά αυτό που επιτρέπεται από τη φυσική) στο Πρωτοσύμπαν δρα σαν αντιβαρύτητα και προκαλεί μια εκθετικά γρήγορη επέκταση. Αυτό το ασυνήθιστο ενεργειακό πεδίο έχει διαφορετικές δυνάμεις σε διάφορες περιοχές του χώρου. Κάθε τέτοια περιοχή επεκτείνεται σε κοσμικές διαστάσεις και το ενεργειακό πεδίο γίνεται συνηθισμένη ύλη, σχηματίζοντας ένα νέο σύμπαν που είναι κλεισμένο και τελείως εκτός επαφής με το πρωτοσύμπαν που το γέννησε.

Στην εικόνα των Carroll–Guth η τάξη του σύμπαντος έχει τη μέγιστη τιμή της κατά την Μεγάλη Έκρηξη. Η αταξία αυξάνεται και πριν και μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Έτσι το μέλλον προχωρά από την Μεγάλη Έκρηξη προς δυο κατευθύνσεις. Ένας παρατηρητής που ζει στο συστελλόμενο σύμπαν βλέπει την Μεγάλη Έκρηξη στο παρελθόν του όπως ακριβώς κι εμείς. Το γεγονός ότι θυμόμαστε το παρελθόν μας κι όχι το μέλλον μας σχετίζεται με τις συνθήκες του Big Bang.

Σύμφωνα με τους Carroll και Guth, η θεωρία του δικέφαλου χρόνου μπορεί συνδυαστεί με τον αιώνιο πληθωρισμό – μια ιδέα που αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 – που οδηγεί σε μια διαδικασία αναπαραγωγής πολλών νέων συμπάντων…

Άλλοι κβαντικοί κοσμολόγοι πάλι προτείνουν παρόμοια μοντέλα. Είναι σαν το μεγάλο ελατήριο-παιχνίδι που πέφτει στο πάτωμα, φτάνει στη μέγιστη συμπίεση κατά την κρούση με το έδαφος, και στη συνέχεια αναπηδά πίσω σε μεγαλύτερες διαστάσεις. Λόγω των αναπόφευκτων τυχαίων διακυμάνσεων που απαιτεί η κβαντική φυσική, το προκύπτον σύμπαν δεν θα ήταν μια ακριβής κατοπτρική εικόνα του διαστελλόμενου σύμπαντος.

Αλλά μην χαίρεστε ότι θα μπορούσαμε εύκολα να βρούμε την απάντηση σε όλα αυτά. Ένα μεγαλεπήβολο πείραμα για την απόδειξη της σωστής θεωρίας θα χρειαστεί δεκαετίες για να στηθεί..

Πηγή

Αντιδράσεις:

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου