Big Bang el

Created Δευτέρα 09 Μαρτίου 2026

Τι είναι η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang);

What Is the Big Bang? | NASA Space Place – NASA Science for Kids - 20190627

Σύντομη απάντηση: Η Big Bang είναι το κοσμολογικό μοντέλο με το οποίο οι αστρονόμοι εξηγούν την αρχή του σύμπαντος. Σύμφωνα με αυτό, το σύμπαν ξεκίνησε από μια εξαιρετικά πυκνή και θερμή αρχική κατάσταση (συχνά περιγράφεται σχηματικά ως «ένα μοναδικό σημείο») και στη συνέχεια διαστάλθηκε και επεκτάθηκε, ώσπου έφτασε στο μέγεθος που έχει σήμερα — και πιθανόν εξακολουθεί να διαστέλλεται.

Τι σημαίνει η ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης;

Το 1927, ο αστρονόμος Georges Lemaître πρότεινε μια ριζοσπαστική ιδέα: ότι πριν από πάρα πολύ καιρό το σύμπαν βρισκόταν σε μια εξαιρετικά συμπυκνωμένη αρχική κατάσταση. Από αυτήν την κατάσταση το σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται, και η διαστολή αυτή το οδήγησε στο τεράστιο μέγεθος που έχει σήμερα. Ο Lemaître υποστήριξε επίσης ότι η διαστολή αυτή μπορεί να συνεχίζεται ακόμη.

Μια δύσκολη ιδέα να τη φανταστούμε

Το σύμπαν είναι απέραντο και υπάρχει εδώ και εξαιρετικά μεγάλο χρονικό διάστημα. Η κατανόηση του πώς άρχισαν όλα αυτά είναι δύσκολο να συλληφθεί με τη φαντασία.

Παρατηρησιακή επιβεβαίωση

Δύο χρόνια αργότερα, ο αστρονόμος Edwin Hubble παρατήρησε ότι άλλοι γαλαξίες απομακρύνονται από τον δικό μας. Επιπλέον, διαπίστωσε ότι:

οι πιο μακρινοί γαλαξίες απομακρύνονται ταχύτερα από τους κοντινούς.

Η ανακάλυψη αυτή οδήγησε στον Νόμο του Hubble και έδειξε ότι το σύμπαν πράγματι διαστέλλεται, όπως είχε προτείνει ο Lemaître.

Αν οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους σήμερα, αυτό σημαίνει ότι στο πολύ μακρινό παρελθόν όλη η ύλη του σύμπαντος βρισκόταν πολύ πιο κοντά.

Ο Hubble κοιτά μέσα σε ένα μεγάλο τηλεσκόπιο και λέει:

Όλα όσα μπορούμε να παρατηρήσουμε σήμερα στο σύμπαν μας — αστέρες, πλανήτες, κομήτες, αστεροειδείς — δεν υπήρχαν στην αρχή του σύμπαντος. Από πού προήλθαν;

Ένα πολύ θερμό και μικροσκοπικό ξεκίνημα

Στην αρχή του σύμπαντος υπήρχαν μόνο:

εξαιρετικά θερμά και μικροσκοπικά σωματίδια,
ακτινοβολία (φως),
και ενέργεια.

Η κατάσταση αυτή ήταν τελείως διαφορετική από το σημερινό σύμπαν.

Καθώς το σύμπαν διαστελλόταν, ο διαθέσιμος χώρος αυξανόταν και το σύμπαν ψυχόταν.

Σταδιακά συνέβησαν τα εξής:

Τα στοιχειώδη σωματίδια ενώθηκαν και σχημάτισαν άτομα.
Τα άτομα ενώθηκαν σχηματίζοντας αστέρες και γαλαξίες.
Οι πρώτοι αστέρες δημιούργησαν βαρύτερα χημικά στοιχεία μέσω πυρηνικών αντιδράσεων.
Ταυτόχρονα, οι γαλαξίες συγκρούονταν και συναθροίζονταν μεταξύ τους.

Με την πάροδο τεράστιων χρονικών διαστημάτων:

σχηματίστηκαν πλανήτες,
κομήτες,
αστεροειδείς,
και ακόμη και μαύρες τρύπες.

Πόσο παλιό είναι το σύμπαν;

Οι σημερινές κοσμολογικές μετρήσεις δείχνουν ότι η ηλικία του σύμπαντος είναι περίπου:

13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.

Γιατί ονομάζεται «Μεγάλη Έκρηξη»;

Ο όρος Big Bang χρησιμοποιείται για να περιγράψει την αρχική φάση της κοσμικής διαστολής. Ωστόσο, πολλοί επιστήμονες επισημαίνουν ότι:

δεν επρόκειτο για «έκρηξη» μέσα στον χώρο,
αλλά για διαστολή του ίδιου του χώρου.

Για αυτόν τον λόγο, μερικοί θεωρούν ότι μια πιο ακριβής περιγραφή θα ήταν κάτι σαν «πανταχού διαστολή» του σύμπαντος.

Πού στο σύμπαν συνέβη η Μεγάλη Έκρηξη;

https://web.archive.org/web/20241015104046/http://www.astronomycafe.net/FAQs/q1164x.html

Η Big Bang δεν συνέβη μέσα στον τρισδιάστατο χώρο του σύμπαντός μας — τουλάχιστον αυτό φαίνεται να μας λέει η καλύτερη κατανόηση της φυσικής που έχουμε αποκτήσει τα τελευταία 70 χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι δεν συνέβη «εκεί πέρα», ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός πέρα από τον αστέρα Antares.

Ο μόνος οδηγός που διαθέτουμε για να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση είναι η κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης και η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein. Αυτές κάνουν πολύ συγκεκριμένες προβλέψεις για το τι συνέβη στον χώρο και στον χρόνο κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.

Το σχήμα δείχνει τη διαστολή του σύμπαντος όπως προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα. Παρατηρήστε ότι οι θέσεις πλάτους και μήκους των «γαλαξιών-αστέρων» παραμένουν ίδιες, αλλά η μεταξύ τους απόσταση αυξάνεται καθώς μεγαλώνει η ακτίνα της σφαίρας. Πρόκειται για μια αναπαράσταση του τρόπου με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν μας.

Με βάση αυτή τη γεωμετρική αναλογία, αν η επιφάνεια της σφαίρας αντιπροσώπευε τον τρισδιάστατο όγκο του σύμπαντός μας σε μια συγκεκριμένη στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, θα βλέπαμε ότι ο όγκος του χώρου αυξάνεται, αλλά ο χώρος δεν προστίθεται από κάπου αλλού.

Πρόκειται για μια σφαίρα τεσσάρων διαστάσεων με τρισδιάστατη επιφάνεια — μια γεωμετρική αναλογία με μια τρισδιάστατη μπάλα μπάσκετ που έχει δισδιάστατη επιφάνεια.

Αν μειώσουμε την ακτίνα της σφαίρας, ο τρισδιάστατος όγκος του χώρου μειώνεται σταθερά έως ότου προσεγγίσει την κατάσταση όπου η ακτίνα είναι μηδέν. Αυτό μπορεί να γίνει με ένα μαθηματικό «μπαλόνι», όχι όμως με ένα πραγματικό. Όταν η ακτίνα γίνει μηδέν, τότε και ο τρισδιάστατος όγκος του χώρου μηδενίζεται.

Τώρα ας υποθέσουμε ότι αυτή η σφαιρική επιφάνεια είναι γεμάτη με άτομα. Καθώς ο όγκος του χώρου μειώνεται, η πυκνότητα της ύλης αυξάνεται συνεχώς. Όταν πλησιάζουμε στη στιγμή όπου η ακτίνα γίνεται μηδέν, η μέση πυκνότητα της ύλης στον τρισδιάστατο χώρο της σφαίρας γίνεται τεράστια.

Όταν η ακτίνα γίνει μηδέν, η πυκνότητα γίνεται άπειρη και έχουμε αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν ιδιομορφία (χωροχρονική παραδοξότητα) (singularity).

Έτσι, η καλύτερη μη-μαθηματική περιγραφή που μπορεί να δώσει ένας κοσμολόγος για τη Μεγάλη Έκρηξη είναι ότι συνέβη σε κάθε κυβικό εκατοστό του χώρου του σύμπαντος, χωρίς κάποιο μοναδικό σημείο εκκίνησης.

Στην πραγματικότητα, ήταν ένα γεγονός που — σύμφωνα με τα μαθηματικά μας — έφερε στην ύπαρξη τον ίδιο τον χώρο και τον χρόνο.

Δεν συνέβη μέσα στον χώρο σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο, διότι δημιούργησε τον χώρο (και τον χρόνο) καθώς εξελισσόταν.

Ίσως να υπήρχε κάποια κατάσταση «πριν» από τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά πρόκειται για κατάσταση που δεν μπορεί να περιγραφεί ως προς τη θέση της στον χρόνο ή στον χώρο. Αυτή η κατάσταση προηγήθηκε της ύπαρξης του δικού μας χρόνου και χώρου.

Ποια γεγονότα διαψεύδουν τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης;

Dr. Odenwald's FAQ page at the Astronomy Cafe Blog: https://web.archive.org/web/20240308040406/http://www.astronomycafe.net/FAQs/a11461x.html

Η σημερινή, φαινομενικά ολοκληρωμένη θεωρία για την προέλευση και την εξέλιξη του σύμπαντος ονομάζεται πληθωριστική κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης.

Η θεωρία αυτή εξηγεί πώς το σύμπαν μας προέκυψε από μια ιδιομορφία (singularity) υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας και στη συνέχεια διαστάλθηκε και ψύχθηκε.

Κατά τη διαδικασία αυτή:

ο χώρος διαστάλθηκε με ρυθμό ταχύτερο από το φως,
και ψύχθηκε ώστε τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και οι θεμελιώδεις δυνάμεις να δημιουργήσουν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και ποικίλα σύνθετα σωματίδια.

Περίπου τρία λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είχε ήδη καθοριστεί κοσμολογικά:

η αναλογία υδρογόνου προς ήλιο,
καθώς και ο αριθμός των φωτονίων και νετρίνων του κοσμικού υποβάθρου.

Κατά την περίοδο του ταχέος κοσμικού πληθωρισμού, δημιουργήθηκαν επίσης μικρές ανωμαλίες στην πυκνότητα της ύλης καθώς και ένα υπόβαθρο βαρυτικής ακτινοβολίας.

Τα εντυπωσιακά αποτελέσματα του δορυφόρου WMAP, μαζί με εκείνα του COBE και άλλων μελετών υψηλής ακρίβειας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, έχουν πλέον δείξει ότι:

το σύμπαν έχει ηλικία περίπου 13,7 δισεκατομμύρια έτη,
και ότι η γεωμετρία του χώρου είναι ουσιαστικά επίπεδη.

Επίσης:

μόνο 5 % της βαρυτικής μάζας του σύμπαντος βρίσκεται σε κανονική ύλη (αστέρες και αέριο),
27 % βρίσκεται σε Σκοτεινή Ύλη,
και 68 % σε Σκοτεινή Ενέργεια.

Η σκοτεινή ενέργεια είναι εκείνη που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, κάτι που έχει παρατηρηθεί μέσω μακρινών supernova.

Εναλλακτικές κοσμολογικές θεωρίες

Κατά τη διάρκεια των ετών προτάθηκαν αρκετές εναλλακτικές θεωρίες έναντι της κοσμολογίας της Μεγάλης Έκρηξης. Ωστόσο, καμία — με εξαίρεση τη Steady State theory — δεν συγκέντρωσε περισσότερους από λίγους υποστηρικτές.

Ο λόγος είναι ότι δεν κατάφεραν να προβλέψουν ή να εξηγήσουν βασικές παρατηρήσεις που θεωρούνται κρίσιμες δοκιμές για κάθε κοσμολογική θεωρία.

Μεταξύ αυτών:

η κοσμολογία Willem de Sitter,
η στατική κοσμολογία του Einstein,
η πρώιμη κοσμολογία του Georges Lemaître,
η Steady State των Fred Hoyle και Thomas Gold,
η Plasma Cosmology και άλλες.

Καθεμία από αυτές αποτυγχάνει να εξηγήσει βασικά κοσμολογικά δεδομένα, όπως:

την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου,
την ισοτροπία της,
τη θερμοκρασία της (~2,7 K),
και τις κοσμικές αναλογίες των στοιχείων (υδρογόνου, ηλίου και δευτερίου).

Κοσμολογία De Sitter περ. 1917 — Το σύμπαν θεωρείται ότι είναι εντελώς κενό από ύλη, αλλά διαστέλλεται εκθετικά με τον χρόνο λόγω της ύπαρξης μη μηδενικής κοσμολογικής σταθεράς. Η υπόθεση αυτή έρχεται σε αντίθεση με σχεδόν όλα τα παρατηρησιακά δεδομένα που διαθέτουμε σήμερα, συμπεριλαμβανομένου του πραγματικού ρυθμού διαστολής, ο οποίος ακολουθεί τον γραμμικό Νόμο του Hubble και όχι έναν εκθετικό νόμο διαστολής στον χρόνο. Επιπλέον, η πυκνότητα της ύλης στο σύμπαν δεν είναι μηδενική, διότι υπάρχουμε εμείς — όπως και πολλοί άλλοι αστέρες και γαλαξίες!

Στατική κοσμολογία του Einstein περ. 1917 — Το σύμπαν δεν διαστέλλεται και είναι στατικό στον χρόνο. Η κοσμολογική σταθερά ρυθμίζεται με ακρίβεια ώστε να εξισορροπεί την ελκτική τάση της ύλης. Όπως και η κοσμολογία Willem de Sitter, αποτυγχάνει να συμφωνήσει με τις σύγχρονες παρατηρήσεις, διότι το σύμπαν διαστέλλεται γραμμικά με τον χρόνο. Είναι επίσης ασταθής ακόμη και σε πολύ μικρές μεταβολές της τιμής αυτής της σταθεράς.

Κοσμολογία Lemaître περ. 1924 — Το σύμπαν ξεκίνησε με μια «μεγάλη έκρηξη» χωρίς κοσμολογική σταθερά. Η αρχική κατάσταση ήταν ένα γιγάντιο ραδιενεργό άτομο που περιείχε όλη την ύλη του σύμπαντος κοντά στο απόλυτο μηδέν. Η θεωρία αυτή συμφωνεί με την παρατηρούμενη διαστολή, αλλά αποτυγχάνει να εξηγήσει την ύπαρξη της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και τις καθολικές αφθονίες υδρογόνου, ηλίου και δευτερίου, διότι απαιτεί τη διάσπαση ενός μοναδικού τεράστιου «υπερ-ατόμου» τη στιγμή της Big Bang.

Κοσμολογία Σταθερής Κατάστασης (Steady State) περ. 1950 — Αναπτύχθηκε από τους Fred Hoyle και Thomas Gold. Προτείνει ότι το σύμπαν διαστέλλεται αιώνια και ότι νέοι γαλαξίες δημιουργούνται, άτομο προς άτομο, στον διαγαλαξιακό χώρο «από το κενό». Η θεωρία αυτή γνώρισε μεγάλη απήχηση στις δεκαετίες του 1950 και 1960, αλλά δεν κατάφερε ποτέ να εξηγήσει πειστικά από πού προέρχεται η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, γιατί είναι τόσο ισοτροπική και γιατί η θερμοκρασία της είναι σταθερή στα 2,7 K. Επίσης δεν παρείχε καμία εξήγηση για το γιατί πρέπει να υπάρχει καθολική αναλογία αφθονίας υδρογόνου, ηλίου και δευτερίου.

Ψυχρή κοσμολογία Μεγάλης Έκρηξης περ. 1965 — Αναπτύχθηκε από τον David Layzer στο Harvard. Υποστηρίζει ότι η Μεγάλη Έκρηξη συνέβη, αλλά ότι η αρχική κατάσταση βρισκόταν στο απόλυτο μηδέν και αποτελούνταν από καθαρό στερεό υδρογόνο. Αυτό διασπάστηκε σε νέφη μεγέθους γαλαξιών καθώς το σύμπαν διαστελλόταν. Η θεωρία δεν παρείχε καμία εξήγηση για την προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ούτε για το γιατί είναι ισοτροπική και έχει θερμοκρασία 2,7 K.

Κοσμολογία Hagedorn περ. 1968 — Ο φυσικός Robert Hagedorn πρότεινε ότι όλες οι λεπτομέρειες της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης είναι πιθανώς σωστές, εκτός από το ότι η πρώιμη ιστορία του σύμπαντος είχε ένα ανώτατο όριο θερμοκρασίας περίπου 1 τρισεκατομμύριο βαθμούς, επειδή η δομή της ύλης διαθέτει μια άπειρη κλίμακα «θεμελιωδών σωματιδίων» από τα οποία κατασκευάζονται τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Η πρόταση αυτή διαψεύστηκε με την ανακάλυψη των quark, η οποία δείχνει ότι το όριο θερμοκρασίας στην πρώιμη ιστορία του σύμπαντος βρίσκεται σε θερμοκρασίες πολύ μεγαλύτερες από 1000 τρισεκατομμύρια βαθμούς.

Κοσμολογία Brans–Dicke περ. 1955 — Η εξίσωση της βαρύτητας του Albert Einstein στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας τροποποιείται ώστε να συμπεριλαμβάνει ένα «βαθμωτό» πεδίο. Το πεδίο αυτό προκαλεί αργή μεταβολή της τιμής της βαρυτικής σταθεράς κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών. Αυτό οδηγεί επίσης σε τροποποίηση της πρώιμης ιστορίας του σύμπαντος. Πειραματικές αναζητήσεις για μεταβολή της βαρυτικής σταθεράς δείχνουν ότι δεν έχει μεταβληθεί πέρα από το πειραματικό σφάλμα κατά τα τελευταία 2–3 δισεκατομμύρια χρόνια. Αν είχε μεταβληθεί, η εξέλιξη του συστήματος Γης–Σελήνης θα ήταν σημαντικά διαφορετική και η εξέλιξη του Ήλιου θα είχε τροποποιηθεί δραστικά. Κανένα από αυτά τα φαινόμενα δεν έχει παρατηρηθεί.

Παλαιά πληθωριστική κοσμολογία Μεγάλης Έκρηξης περ. 1980 — Αναπτύχθηκε ως «μοντέλο-παιχνίδι» από τον Alan Guth το 1980. Η περίοδος του κοσμικού πληθωρισμού, η οποία έληξε περίπου 10⁻³⁴ δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, προκάλεσε τον σχηματισμό αμέτρητων «φυσαλίδων» αληθινού κενού που συγχωνεύθηκαν και σχημάτισαν ένα στρώμα ύλης και ακτινοβολίας σε μια πολύ ανομοιογενή κατανομή. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου όμως δείχνει ότι το σύμπαν είναι εξαιρετικά ομαλό — σε επίπεδο καλύτερο από 1 μέρος στα 10.000 — από περίπου 300.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Δεν υπάρχει καμία ένδειξη για μια τόσο ταραχώδη και ανομοιογενή μεταβατική περίοδο.

Ταλαντωτική κοσμολογία Μεγάλης Έκρηξης περ. 1930 — Πρόκειται για πιθανή τροποποίηση της κοσμολογίας της Μεγάλης Έκρηξης, σύμφωνα με την οποία η τρέχουσα διαστολή θα αντικατασταθεί κάποτε από μια φάση κατάρρευσης και στη συνέχεια από νέα φάση διαστολής κ.ο.κ. Δεν υπάρχει καμία ένδειξη ότι υπήρξε στο παρελθόν μια τέτοια φάση διαστολής-κατάρρευσης. Επιπλέον, το σύμπαν δεν φαίνεται να περιέχει αρκετή ύλη ώστε να είναι «κλειστό» και να καταρρεύσει στο μέλλον — κάτι που αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για οποιονδήποτε μελλοντικό κύκλο ταλάντωσης.

Κοσμολογία Μεγάλης Έκρηξης με πρόσθετες οικογένειες νετρίνων περ. 1970 — Η κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης θεωρείται σε μεγάλο βαθμό σωστή, αλλά για να επιλυθεί το πρόβλημα της «ελλείπουσας» ή σκοτεινής ύλης πρέπει να προστεθούν νέες οικογένειες νετρίνων στο σύμπαν. Αυτό όμως θα άλλαζε τις κοσμολογικές αναλογίες αφθονίας ηλίου και δευτερίου σε σχέση με το υδρογόνο, έτσι ώστε οι σημερινές παρατηρούμενες τιμές να μην είναι πλέον δυνατές. Επιπλέον, δεν υπάρχει πειραματική ένδειξη για περισσότερους από τρεις τύπους νετρίνων, και αυτοί ήδη συμφωνούν με τις μετρημένες κοσμολογικές αφθονίες.

Χρονομετρική κοσμολογία περ. 1970 — Αναπτύχθηκε από τον Irving Segal στο MIT. Προτείνει ότι ο χωροχρόνος έχει διαφορετική μαθηματική δομή από εκείνη που αποτελεί τη βάση της κοσμολογίας της Μεγάλης Έκρηξης. Η βασική διαφωνία φαίνεται να αφορά τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος, ο οποίος προκύπτει ως τετραγωνικός νόμος μεταξύ απόστασης και ταχύτητας διαστολής, αντί για τον γραμμικό Νόμο του Hubble. Η πρόταση αυτή φαίνεται να είναι ασύμβατη με όσα έχουν παρατηρηθεί για μακρινούς γαλαξίες τις τελευταίες 3–4 δεκαετίες. Μπορεί να υπάρχουν και άλλες διαφωνίες με την κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά η χρονομετρική κοσμολογία δεν έχει εξερευνηθεί αρκετά ώστε να παράγει ελέγξιμες προβλέψεις σε αυτούς τους τομείς.

Κοσμολογία Alfvén περ. 1960 — Αναπτύχθηκε από τον φυσικό Hannes Alfvén. Προτείνει ότι το σύμπαν περιέχει ίσα μέρη ύλης και αντιύλης. Δεν παρέχει όμως εξήγηση για πολλά άλλα παρατηρησιακά δεδομένα της κοσμολογίας. Αν υπήρχαν ίσα μέρη ύλης και αντιύλης, θα έπρεπε να υπάρχουν περιοχές στο σύμπαν όπου αυτά έρχονται σε επαφή και παράγουν ακτίνες Χ ή ακτίνες γάμμα λόγω της διαδικασίας εξαΰλωσης. Δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ τέτοιο μεγάλης κλίμακας υπόβαθρο που να μπορεί να αποδοθεί σε εξαΰλωση πρωτονίων ή ηλεκτρονίων.

Κοσμολογία Πλάσματος περ. 1970 — Η ύλη στο σύμπαν, στις μεγαλύτερες κλίμακες, δεν είναι ηλεκτρικά ουδέτερη αλλά έχει ένα πολύ ασθενές καθαρό φορτίο, το οποίο είναι πρακτικά μη ανιχνεύσιμο. Αυτό προκαλεί την κυριαρχία των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων έναντι των βαρυτικών δυνάμεων στο σύμπαν, έτσι ώστε όλα τα φαινόμενα που παρατηρούμε να μην είναι προϊόντα μόνο της βαρύτητας. Πρόκειται για μια ενδιαφέρουσα θεωρία, αλλά — εκτός από το να αρνείται τη σημασία τους — δεν μπορεί εύκολα να εξηγήσει την προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, την ισοτροπία και τη θερμοκρασία της, ούτε τις αφθονίες ηλίου και δευτερίου.

Βασικές παρατηρήσεις που πρέπει να εξηγεί κάθε κοσμολογική θεωρία

Οι βασικές παρατηρήσεις που θεωρείται ότι αποτελούν κοσμολογικούς ελέγχους για οποιαδήποτε θεωρία είναι οι εξής:

Το σύμπαν διαστέλλεται. — Πρόκειται για παρατήρηση μεγάλης κλίμακας που καλύπτει ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν· συνεπώς πρέπει να είναι «κοσμολογική».
Υπάρχει ένα πεδίο κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ανιχνεύσιμο σε μικροκυματικές συχνότητες. — Γιατί δεν εμφανίζεται σε άλλες συχνότητες και παρατηρείται μόνο στη μικροκυματική περιοχή, καλύπτοντας κάθε κατεύθυνση του ουρανού;
Το πεδίο της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου είναι μετρήσιμα ισοτροπικό σε ακρίβεια καλύτερη από μερικά μέρη στα 100.000, αφού ληφθεί υπόψη η διόρθωση για το σχετικιστικό φαινόμενο Doppler που προκαλείται από την κίνηση Γης–Ήλιου–Milky Way. — Πρόκειται για ιδιότητα μεγάλης κλίμακας αυτού του φαινομένου που δεν σχετίζεται με τον Γαλαξία ή άλλους γαλαξίες και επομένως πρέπει να αποτελεί κοσμολογικό χαρακτηριστικό.
Το πεδίο της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου έχει ακριβώς το φάσμα ενός μέλανος σώματος. — Είναι γνωστά πολλά άλλα είδη ακτινοβολίας, αλλά κανένα δεν έχει ακριβώς φάσμα μέλανος σώματος. Μόνο η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι τέλειο μέλαν σώμα, στο όριο της ακρίβειας με την οποία μπορούμε να μετρήσουμε το φάσμα της.
Το πεδίο της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου έχει θερμοκρασία 2,7 K. — Γιατί 2,7 K και όχι, για παράδειγμα, 5,019723 K; Μόνο η κοσμολογία της Big Bang προβλέπει μια ακτινοβολία απολίθωμα με θερμοκρασία κοντά στους 3 βαθμούς και όχι κάποια άλλη τιμή.
Υπάρχει μια καθολική αναλογία αφθονίας ηλίου προς υδρογόνο συμβατή με τον τρέχοντα ρυθμό διαστολής και τη θερμοκρασία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. — Είτε εξετάζουμε τη σύσταση των αστέρων, των πλανητών ή ακόμη και νεφών αερίου σε μακρινούς γαλαξίες, φαίνεται πάντα να βρίσκουμε μια «καθολική» σταθερή αναλογία ηλίου προς υδρογόνο και δευτερίου προς υδρογόνο. Πρέπει να υπάρχει εξήγηση για αυτό που να μην σχετίζεται απλώς με το Ηλιακό μας Σύστημα ή τον Γαλαξία μας.
Η κοσμολογική αφθονία του δευτερίου σε σχέση με το υδρογόνο και το ήλιο είναι συμβατή με τα επίπεδα που αναμένονται με βάση τον σημερινό ρυθμό διαστολής και την πυκνότητα. — Αν το σύμπαν είχε διασταλεί ταχύτερα, θα υπήρχε λιγότερος χρόνος για να σχηματιστούν βαρύτερα στοιχεία όπως το ήλιο και το δευτέριο.
Υπάρχουν μόνο τρεις οικογένειες νετρίνων. — Αν και δεν έχουμε επιβεβαιώσει ότι αυτό ισχύει στην περιοχή μακρινών γαλαξιών, παρατηρούμε ότι τα ίδια είδη στοιχείων και η ίδια φυσική εμφανίζονται εκεί, ιδιαίτερα στις supernova, των οποίων η φυσική εξαρτάται πολύ ευαίσθητα από τον αριθμό των διαφορετικών τύπων νετρίνων και από τη σταθερότητα της υποκείμενης φυσικής της ασθενούς αλληλεπίδρασης.
Ο νυχτερινός ουρανός δεν είναι τόσο φωτεινός όσο η επιφάνεια του ήλιου. — Πρόκειται για μια απλή αλλά βαθιά παρατήρηση που μπορεί να εξηγηθεί μόνο από τη σωστή κατανομή των αστέρων στο σύμπαν, την ηλικία τους και τη διαστολή του σύμπαντος.
Το πεδίο της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου παρουσιάζει μικρές ανομοιομορφίες σε επίπεδο από 1 μέρος στα 100.000 έως 1 μέρος στο 1.000.000. — Γιατί συμβαίνει αυτό; Και γιατί σε αυτό το συγκεκριμένο μέγεθος;
Δεν υπάρχουν αντικείμενα των οποίων η ηλικία να είναι αναμφισβήτητα μεγαλύτερη από την ηλικία διαστολής του σύμπαντος. — Στο κοντινό μας σύμπαν δεν φαίνεται να υπάρχουν πολύ παλαιοί αστέρες ηλικίας μεγαλύτερης από 20 δισεκατομμύρια χρόνια, παρόλο που οι ιδιότητές τους θα έπρεπε να είναι εύκολα αναγνωρίσιμες ως απλή συνέχεια της φυσικής και της εξέλιξης των αρχαιότερ~ων αστέρων που παρατηρούμε.
Υπάρχουν περίπου 10.000.000.000 φωτόνια στο πεδίο της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου για κάθε πρωτόνιο και νετρόνιο ύλης. — Πρόκειται για έναν σημαντικό «θερμοδυναμικό» αριθμό που μας δείχνει πώς εξελίχθηκε το σύμπαν μέχρι σήμερα. Γιατί η εντροπία του είναι τόσο τεράστια;
Ο βαθμός συσσωμάτωσης των γαλαξιών που παρατηρείται είναι συμβατός με ένα διαστελλόμενο σύμπαν πεπερασμένης ηλικίας μικρότερης από 20 δισεκατομμύρια χρόνια. — Πρόκειται για άμεση παρατήρηση που δείχνει ότι η βαρύτητα δεν είχε πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα για να δημιουργήσει τις μεγάλες σύνθετες δομές του σημερινού σύμπαντος.
Δεν υπάρχουν στοιχεία βαρύτερα από το λίθιο που να έχουν καθολική αναλογία αφθονίας. — Ποια διαδικασία δημιούργησε αυτά τα βαρύτερα στοιχεία;
Το σύμπαν υπήρξε κάποτε αδιαφανές στη δική του ακτινοβολία. — Αυτό πρέπει να προκύπτει από το φάσμα μέλανος σώματος της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Το σύμπαν σήμερα κυριαρχείται αποκλειστικά από ύλη και όχι από μείγμα ύλης και αντιύλης. — Μόνο λίγες εναλλακτικές προς την κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης προσπαθούν καν να εξηγήσουν αυτή την άμεση παρατήρηση.

Να λοιπόν. Δεν πρόκειται για ένα παιχνίδι μπιλιάρδου όπου η μπάλα κρούσης (τα δεδομένα) τοποθετείται προσεκτικά ώστε η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης να φαίνεται αναπόφευκτη. Οποιαδήποτε από αυτές τις άλλες θεωρίες έχει επανειλημμένα προσκληθεί να παρουσιάσει την καλύτερη εξήγησή της, και τα αποτελέσματα είναι πάντα τα ίδια. Οι υποστηρικτές τους πρέπει να επέμβουν ακόμη και για να καταφέρουν οι θεωρίες τους να δώσουν μια απλή πρόβλεψη για οποιοδήποτε από αυτά τα κοσμολογικά δεδομένα.

Η σημαντικότερη πρόβλεψη της κοσμολογίας της Μεγάλης Έκρηξης βρίσκεται στα ίδια της τα θεμέλια. Βασίζεται στο αλάνθαστο της Γενικής Σχετικότητας και στον τρόπο με τον οποίο αυτή η θεωρία εξηγεί τη βαρύτητα υπό ακραίες συνθήκες. Οι βασικές της προβλέψεις έχουν δοκιμαστεί πολλές φορές, και νέα εξωτικά φαινόμενα όπως το Lense–Thirring effect και τα βαρυτικά κύματα έχουν επίσης προβλεφθεί και επιβεβαιωθεί από τη θεωρία. Φαίνεται να αποτελεί μια άψογη εξήγηση για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Ωστόσο, αν είναι ακριβής, τότε χρειαζόμαστε μεγάλες ποσότητες Dark Matter και Dark Energy στο σύμπαν, πέρα από το 5% των άστρων και του αερίου που μπορούμε να δούμε. Αυτό είναι το μεγάλο πρόβλημα.

Η σκοτεινή ύλη δεν εντοπίζεται μόνο σε κοσμική κλίμακα αλλά και σε περιοχές τόσο μικρές όσο οι γαλαξίες. Στην πραγματικότητα ανακαλύφθηκε στους γαλαξίες πολύ πριν το Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) πραγματοποιήσει τις πρώτες του μελέτες. Ο δικός μας Milky Way φαίνεται να έχει περίπου έξι φορές περισσότερη βαρυτικά ενεργή ύλη να περιφέρεται γύρω από το κέντρο του από όση υπάρχει σε όλη τη φωτεινή ύλη και τα νέφη αερίου που μπορούμε να ανιχνεύσουμε. Στην πραγματικότητα, κάθε μεγάλο σύστημα ύλης που έχουμε μελετήσει παρουσιάζει αυτό το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης.

Μερικοί φυσικοί έχουν ερμηνεύσει αυτό το γεγονός ως πιθανή κατάρρευση της ίδιας της Γενικής Σχετικότητας, όμως οι υποστηρικτές τους δεν έχουν καταφέρει να βρουν κάποια επέκταση ή αντικατάσταση της θεωρίας που να εξαφανίζει την ανάγκη για σκοτεινή ύλη. Στο μεταξύ, οι φυσικοί δεν έχουν ανιχνεύσει κανέναν από τους υποψήφιους σωματιδιακούς φορείς της σκοτεινής ύλης στο Large Hadron Collider ή σε άλλα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.

Έτσι, η κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης μπορεί να συμπεριλάβει τη σκοτεινή ύλη, αλλά ακόμη δεν γνωρίζουμε τι είδους φυσική ύλη είναι, ή αν ίσως υπάρχει κάτι διακριτικά λανθασμένο στην ίδια τη Γενική Σχετικότητα.

Πέρα από τη Μεγάλη Έκρηξη

Before the Big Bang | Sten's Space Blog

July 29, 2017

Κάποτε, πριν από 15 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν ήρθε σε ύπαρξη. Από την αυγή της ανθρώπινης συνείδησης παλεύουμε με το πώς και το γιατί αυτού του γεγονότος, και από αυτή την προσπάθεια έχουν προκύψει πολλές ιδέες. Ένας αρχαίος αιγυπτιακός μύθος περιγράφει ότι το σύμπαν δημιουργήθηκε από τον Osiris Khepera μέσα από έναν σκοτεινό, απέραντο ωκεανό που ονομαζόταν Nu, και ότι ο Όσιρις Κεχέρα δημιούργησε τον εαυτό του από αυτόν τον ωκεανό προφέροντας το ίδιο του το όνομα. Η ανθρώπινη επινοητικότητα δεν έχει μείνει στάσιμη στα 5000 χρόνια από τότε που αυτές οι ιδέες ήταν δημοφιλείς.

Η σύγχρονη θεωρία της Big Bang υποστηρίζει ότι το σύμπαν μας εξελίχθηκε από μια προηγούμενη φάση δισεκατομμύρια φορές θερμότερη από τον πυρήνα του Ήλιου μας και τρισεκατομμύρια φορές πυκνότερη από τον πυρήνα ενός ατόμου. Για να περιγράψουμε με λεπτομέρεια τέτοιες ακραίες φυσικές συνθήκες, πρέπει πρώτα να έχουμε μια σταθερή κατανόηση της φύσης της ύλης και των θεμελιωδών δυνάμεων. Στις υψηλές θερμοκρασίες που πιθανότατα συνόδευαν τη Μεγάλη Έκρηξη, όλες οι γνωστές μορφές ύλης είχαν αναχθεί στα θεμελιώδη συστατικά τους. Οι δυνάμεις της βαρύτητας και του ηλεκτρομαγνητισμού, μαζί με τις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις, αποτελούσαν τα βασικά μέσα μέσω των οποίων αλληλεπιδρούσαν τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης.

Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στην κοσμολογία και τη φυσική σωματιδίων φαίνεται πουθενά πιο καθαρά όσο στη μελέτη της πρώιμης ιστορίας του σύμπαντος. Τον Οκτώβριο του 1985, ο γιγαντιαίος επιταχυντής στο Fermilab πέτυχε για πρώτη φορά τη σύγκρουση πρωτονίων και αντιπρωτονίων σε ενέργειες 1,6 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ, περίπου 1600 φορές τη μάζα ηρεμίας του πρωτονίου. Ήταν ένα μοναδικό γεγονός, γιατί για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, σε έναν μικροσκοπικό πλανήτη μέσα σε έναν ασήμαντο γαλαξία, άνοιξε για πρώτη φορά μετά από τουλάχιστον 15 δισεκατομμύρια χρόνια ένα μικρό παράθυρο προς το Γεγονός της Δημιουργίας.

ΤΑ ΟΡΙΑ ΤΗΣ ΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ

Η επιδίωξη των φυσικών για μια ενιαία, καθολική θεωρία ικανή να περιγράψει τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις έχει, ως παράπλευρο αποτέλεσμα, προσφέρει μερικές εντυπωσιακές ματιές στο Γεγονός της Δημιουργίας. Αν και μια τέτοια θεωρία ίσως απέχει ακόμη αρκετές δεκαετίες από την ολοκλήρωσή της, γενικά αναγνωρίζεται ότι θα περιγράφει φυσικές συνθήκες τόσο ακραίες ώστε είναι πολύ πιθανό να μη μπορέσουμε ποτέ να τις εξερευνήσουμε άμεσα, ακόμη και με τους επιταχυντές σωματιδίων που σχεδιάζονται σήμερα.

Για παράδειγμα, ο Superconducting Supercollider που επρόκειτο να κατασκευαστεί στις αρχές της δεκαετίας του 1990 θα κόστιζε 6 δισεκατομμύρια δολάρια και θα επέτρεπε στους φυσικούς να συγκρούουν σωματίδια σε ενέργειες 40 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (40.000 GeV), αντιστοιχώντας στις συνθήκες που επικρατούσαν 10 δευτερόλεπτα μετά τη Big Bang. Το αναμενόμενο όφελος από έναν τέτοιο επιταχυντή είναι τεράστιο και θα βοηθήσει να απαντηθούν πολλά επίμονα ερωτήματα που απασχολούν σήμερα τη θεωρητική κοινότητα.

Αλλά μπορούμε άραγε να επενδύσουμε ίσως πολύ μεγαλύτερα χρηματικά ποσά για την κατασκευή μηχανών ικανών να διερευνήσουν τον κόσμο της κβαντικής βαρύτητας σε ενέργειες 10^19 GeV; Σε αυτές τις ενέργειες αναμένεται να γίνει άμεσα παρατηρήσιμη η πλήρης ενοποίηση των φυσικών δυνάμεων. Πόσο παράξενο είναι ότι οριστικές απαντήσεις σε ερωτήματα όπως «Πώς ήταν η Δημιουργία;» και «Έχουν τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ εσωτερική δομή;» είναι τόσο άρρηκτα συνδεδεμένες μεταξύ τους.

Η ικανότητά μας να βρούμε απαντήσεις σε αυτά τα δύο ερωτήματα, μεταξύ άλλων, δεν φαίνεται να εμποδίζεται από κάποια μεταφυσική απαγόρευση, αλλά από τους πόρους που ο πολιτισμός μας μπορεί να διαθέσει για την αναζήτηση των απαντήσεων. Ευτυχώς, η κατάσταση δεν είναι τόσο ζοφερή όσο φαίνεται, γιατί η «μηχανή» έχει ήδη «κατασκευαστεί» και κάθε πιθανό πείραμα που θα μπορούσαμε να φανταστούμε έχει ήδη πραγματοποιηθεί!

ΑΥΤΑ ΠΟΥ ΠΙΣΤΕΥΟΥΜΕ ΟΤΙ ΓΝΩΡΙΖΟΥΜΕ

Ζούμε μέσα στον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων που δημιουργήθηκε ποτέ – το σύμπαν. Δέκα δισεκατομμύρια χρόνια πριν γεννηθεί ο Ήλιος, το πείραμα υψηλής ενέργειας της Φύσης πραγματοποιήθηκε και τα πειραματικά δεδομένα μπορούν σήμερα να εξεταστούν μελετώντας τις ιδιότητες και το περιεχόμενο του ίδιου του σύμπαντος.

Η συλλογή των θεμελιωδών γεγονότων που χαρακτηρίζουν το σύμπαν μας είναι ιδιαίτερη, επειδή προέρχεται από ποικιλία πηγών. Ένας μερικός κατάλογος αυτών των «μετα-γεγονότων» είναι ο εξής:

Υπάρχουμε· επομένως ορισμένες περιοχές του σύμπαντος είναι φιλόξενες για τη δημιουργία πολύπλοκων μορίων και ζωντανών, έλλογων οργανισμών.
Το σύμπαν μας έχει τέσσερις μεγάλες διαστάσεις και όλες αυξάνονται σε μέγεθος καθώς το σύμπαν διαστέλλεται στον χρόνο και στον χώρο.
Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές δυνάμεις που δρουν στη φύση.
Μόνο η ύλη κυριαρχεί· δεν υπάρχουν γαλαξίες αντιύλης και αυτή η ύλη αποτελείται από 6 κουάρκ και 6 τύπους λεπτονίων.

Το έργο που αντιμετωπίζουν ο φυσικός και ο αστρονόμος είναι να δημιουργήσουν, ιδανικά, μία ενιαία θεωρία συμβατή με αυτά τα μετα-γεγονότα, η οποία θα μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή των δευτερευόντων χαρακτηριστικών του σύμπαντός μας, όπως η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου των 2,7 K, οι αρχέγονες αφθονίες των στοιχείων και ο σχηματισμός γαλαξιών.

Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στη μελέτη του μακρόκοσμου και του μικρόκοσμου έχει πλέον γίνει τόσο έντονη ώστε οι αστρονόμοι έχουν βοηθήσει τους φυσικούς να θέσουν όρια στον αριθμό των οικογενειών λεπτονίων — δεν επιτρέπονται περισσότερες από τέσσερις, διαφορετικά η προβλεπόμενη κοσμολογική αφθονία ηλίου θα διαφωνούσε σοβαρά με ό,τι παρατηρείται. Οι φυσικοί, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούν τα αστρονομικά άνω όρια για την τρέχουσα τιμή της κοσμολογικής σταθεράς ώστε να περιορίσουν τις θεωρίες ενοποίησης τους.

Μια επέκταση του τυπικού μοντέλου της Big Bang, που ονομάζεται Πληθωριστικό Σύμπαν (Inflationary Universe) (βλ. The Decay of the False Vacuum), δημιουργήθηκε από τον φυσικό του Massachusetts Institute of Technology Alan Guth το 1981. Αυτή η θεωρία συνδύασε τη Grand Unified Theory με την κοσμολογία και, αν είναι σωστή, επιτρέπει στους αστρονόμους να ανιχνεύσουν την ιστορία του σύμπαντος μέχρι και 10⁻³⁵ δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν οι ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις ήταν ενοποιημένες σε μια ενιαία «ηλεκτροπυρηνική» δύναμη.

Κατά τα τέσσερα χρόνια από τότε που προτάθηκε το μοντέλο του Πληθωριστικού Σύμπαντος, εμφανίστηκαν και άλλες θεωρητικές εξελίξεις που ίσως μας βοηθήσουν να διερευνήσουμε γεγονότα που συνέβησαν σε ακόμη πιο πρώιμο στάδιο, ίσως ακόμη και πέρα από το ίδιο το Γεγονός της Δημιουργίας. Πριν από δέκα χρόνια, οι θεωρητικοί ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία θεωριών που ονομάζονται Supersymmetric Grand Unified Theories (SUSY GUTs). Αυτές οι θεωρίες, από τις οποίες υπάρχουν αρκετοί ανταγωνιστικοί τύποι, έχουν δείξει μεγάλη υπόσχεση στο να προσφέρουν στους φυσικούς ένα ενοποιημένο πλαίσιο για την περιγραφή όχι μόνο της ηλεκτροπυρηνικής δύναμης αλλά και της βαρύτητας, καθώς και των σωματιδίων στα οποία δρουν (βλ. The Planck Era: March 1984).

Δυστυχώς, καθώς οι SUSY GUTs μελετήθηκαν πιο προσεκτικά, σύντομα ανακαλύφθηκε ότι ακόμη και οι πιο υποσχόμενοι υποψήφιοι για τη Θεωρία του Ενοποιημένου Πεδίου παρουσίαζαν ορισμένες θεμελιώδεις ελλείψεις. Για παράδειγμα:

Δεν υπήρχαν αρκετά βασικά πεδία που να μπορούν να φιλοξενήσουν όλα τα γνωστά σωματίδια.
Η συμμετρία αριστερού και δεξιού χεριού επιβαλλόταν, έτσι ώστε η ασθενής δύναμη, η οποία παραβιάζει αυτή τη συμμετρία, έπρεπε να εισαχθεί «με το χέρι».
Υπήρχαν ανωμαλίες που περιλάμβαναν παραβίαση της διατήρησης της ενέργειας και του φορτίου.
Η κοσμολογική σταθερά ήταν 10 φορές μεγαλύτερη από ό,τι υποδηλώνουν τα σημερινά ανώτερα όρια.

Τα τελευταία χρόνια έχει καταβληθεί σημαντική προσπάθεια για την επέκταση και τροποποίηση των αξιωμάτων των SUSY GUTs ώστε να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα. Μια κατεύθυνση ήταν να αμφισβητηθεί η εγκυρότητα μιας πολύ βασικής παραδοχής των θεωριών πεδίου που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα.

Η πιο ενεργή γραμμή θεωρητικής έρευνας τα τελευταία 25 χρόνια έχει περιλάβει τη μελέτη των λεγόμενων «ομάδων σημειακής συμμετρίας». Για παράδειγμα, ένα εξάγωνο που περιστρέφεται κατά 60° γύρω από ένα σημείο στο κέντρο του είναι αδιαχώριστο από ένα που έχει περιστραφεί κατά 120°, 180°, 240°, 300° και 360°. Αυτές οι έξι περιστροφές σχηματίζουν μια μαθηματική ομάδα έτσι ώστε η πρόσθεση ή αφαίρεση οποιωνδήποτε δύο πράξεων να δίνει πάντοτε μια περιστροφή που είναι ήδη μέλος της ομάδας (180° = 120° + 60° κ.λπ.).

Οι θεωρίες Μεγάλης Ενοποίησης της ηλεκτροπυρηνικής αλληλεπίδρασης βασίζονται σε ομάδες σημειακής συμμετρίας που ονομάζονται SU(3), SU(2) και U(1), οι οποίες αντιπροσωπεύουν ανάλογες «περιστροφές» σε έναν πιο σύνθετο μαθηματικό χώρο.

Στο πλαίσιο της σταθμητής ύλης (ponderable matter), οι ομάδες σημειακής συμμετρίας αποτελούν επίσης τη μαθηματική διατύπωση αυτού που πιστεύουμε ότι είναι η δομή των θεμελιωδών σωματιδίων της ύλης — δηλαδή ότι τα σωματίδια είναι σημειακά και δεν έχουν καθόλου φυσικό μέγεθος. Αλλά τι θα γινόταν αν αυτό δεν ήταν αλήθεια;

Το καλύτερο που μπορεί να προσφέρει η πειραματική φυσική είναι ότι το ηλεκτρόνιο — ένα από τα έξι γνωστά λεπτόνια — συμπεριφέρεται σαν σημειακό σωματίδιο σε κλίμακες μέχρι περίπου 10⁻¹⁶ cm. Αλλά αυτό εξακολουθεί να είναι τεράστια απόσταση σε σύγκριση με την Planck scale των 10⁻³³ cm όπου αναμένεται να συμβεί η πλήρης ενοποίηση με τη βαρύτητα.

Υποθέτοντας ότι τα θεμελιώδη σωματίδια έχουν εσωτερική δομή, ο Michael Green στο Queen Mary College και ο John Schwarz στο California Institute of Technology έκαναν μια αξιοσημείωτη σειρά ανακαλύψεων που ανακοινώθηκαν στο περιοδικό Nature τον Απρίλιο του 1985. Πρότειναν ότι αν ένα σημειακό σωματίδιο αντικατασταθεί από μια δονούμενη «χορδή» που κινείται μέσα σε έναν χωροχρόνο 10 διαστάσεων, πολλά από τα προβλήματα που ταλαιπωρούσαν τις SUSY GUTs φαίνεται να εξαφανίζονται σχεδόν θαυματουργικά.

Επιπλέον, από όλους τους πιθανούς τύπους θεωριών Superstring theory, υπήρχαν μόνο δύο (που ονομάζονται SO(32) και E8 × E8′) που:

ήταν συνεπείς τόσο με τις αρχές της σχετικότητας όσο και με την κβαντομηχανική,
επέτρεπαν την ασυμμετρία μεταξύ αριστερόχειρων και δεξιόχειρων διεργασιών, και
ήταν απαλλαγμένες από ανωμαλίες.

Και οι δύο εκδοχές βρέθηκε επίσης ότι είχαν αρκετό «χώρο» για 496 διαφορετικούς τύπους πεδίων — αρκετούς για να περιλάβουν όλα τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια και ακόμη περισσότερα.

Οι θεωρίες υπερχορδών έχουν επίσης πολύ λίγες ρυθμιζόμενες παραμέτρους και από αυτές μπορούν να πραγματοποιηθούν ορισμένοι υπολογισμοί κβαντικής βαρύτητας που δίνουν πεπερασμένα αποτελέσματα αντί για άπειρα. Παρά τις θεωρητικές τους επιτυχίες, οι θεωρίες υπερχορδών αντιμετωπίζουν τη δυσκολία ότι τα ελαφρύτερα σωματίδια υπερχορδών θα είναι εντελώς άμαζα, ενώ η επόμενη πιο βαριά γενιά θα έχει μάζες της τάξης των 10¹⁹ GeV. Δεν είναι καν σαφές πώς αυτά τα υπερμαζικά σωματίδια χορδών σχετίζονται με τα γνωστά σωματίδια, τα οποία είναι σχεδόν άμαζα σε σύγκριση (ένα πρωτόνιο έχει μάζα περίπου 1 GeV).

Δεν είναι επίσης γνωστό αν τα 496 διαφορετικά σωματίδια θα καλύπτουν ολόκληρο το εύρος μαζών μεταξύ 0 και 10¹⁹ GeV. Είναι πιθανό να ομαδοποιούνται σε δύο οικογένειες με μάζες συγκεντρωμένες γύρω από αυτά τα δύο άκρα. Στη δεύτερη περίπτωση, οι πειραματικοί φυσικοί ίσως κυριολεκτικά εξαντλήσουν τα νέα σωματίδια προς ανακάλυψη μέχρι να κατασκευαστούν επιταχυντές αρκετά ισχυροί ώστε να δημιουργήσουν υπερμαζικά σωματίδια.

Ένα ελκυστικό χαρακτηριστικό του μοντέλου SO(32), το οποίο αναπαριστά τα σωματίδια ως ανοιχτές χορδές, είναι ότι η βαρύτητα πρέπει να συμπεριληφθεί εξαρχής ώστε η θεωρία να είναι εσωτερικά συνεπής και ικανή να δίνει πεπερασμένες προβλέψεις. Είναι επίσης μια θεωρία που καταλήγει στις συνηθισμένες θεωρίες σημειακών πεδίων για ενέργειες κάτω από 10¹⁹ GeV.

Η συμπληρωματική θεωρία E8 × E8′ είναι η μόνη άλλη θεωρία υπερχορδών που φαίνεται να λειτουργεί εξίσου καλά με το SO(32) και αντιμετωπίζει τα σωματίδια σαν να ήταν κλειστές χορδές χωρίς ελεύθερα άκρα. Αυτό το μοντέλο θεωρείται ότι έχει τη μεγαλύτερη προοπτική για την περιγραφή πραγματικών φυσικών σωματιδίων. Περιλαμβάνει επίσης τη βαρύτητα και, σε αντίθεση με το SO(32), φαίνεται να ανάγεται σε χαμηλές ενέργειες στις ομάδες συμμετρίας που συνδέονται με τις ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις: SU(3), SU(2) και U(1).

Αν το E8 × E8′ προορίζεται να είναι η «τελική ενοποιημένη θεωρία πεδίου», τότε μας περιμένουν ορισμένες επιπλέον εκπλήξεις. Κάθε ομάδα, E8 και E8′, μπορεί μαθηματικά να αναχθεί στο γινόμενο των ομάδων που αντιπροσωπεύουν τις ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις: SU(3) × SU(2) × U(1).

Αν η ομάδα E8 αντιστοιχεί στα γνωστά σωματίδια, τότε τι αντιπροσωπεύει η E8′;

Με βάση τις μαθηματικές της ιδιότητες, μόνο οι συμμετρικές θεωρήσεις φαίνεται να απαιτούν η ομάδα E8′ να είναι ένα κατοπτρικό είδωλο της E8. Αν η E8 περιέχει τις ομάδες SU(3), SU(2) και U(1), τότε η E8′ περιέχει SU(3)′, SU(2)′ και U(1)′.

Τα πρωταρχικά πεδία της E8′ θα είχαν τις ίδιες ιδιότητες με αυτές που αποδίδουμε στις ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Τα σωματιδιακά πεδία της E8′ μπορεί να αντιστοιχούν σε ένα εντελώς διαφορετικό είδος ύλης, του οποίου οι ιδιότητες θα είναι τόσο διαφορετικές από την ύλη και την αντιύλη όσο η συνηθισμένη ύλη είναι από την αντιύλη.

Η λεγόμενη ‘Shadow Matter’ (σκιώδης ύλη), όπως την ονόμασαν οι Edward Kolb, David Seckel και Michael Turner στο Fermilab, μπορεί πράγματι να συνυπάρχει με τη δική μας — ίσως εξηγώντας τη χαμένη μάζα που απαιτείται για να «κλείσει» το σύμπαν. Η σκιώδης ύλη ανιχνεύεται μόνο μέσω της βαρυτικής της επίδρασης και είναι εντελώς αόρατη, επειδή η ηλεκτρομαγνητική δύναμη του «σκιώδους κόσμου» (το σκιώδες φως) δεν αλληλεπιδρά με κανένα από τα σωματίδια του κανονικού κόσμου.

ΠΕΡΑ ΑΠΟ ΤΟΝ ΧΩΡΟ ΚΑΙ ΤΟΝ ΧΡΟΝΟ

Η αναζήτηση μιας μαθηματικής περιγραφής του φυσικού κόσμου που να ενοποιεί τις φαινομενικές διαφορές μεταξύ των γνωστών σωματιδίων και δυνάμεων έχει οδηγήσει τους φυσικούς στο αξιοσημείωτο συμπέρασμα ότι το σύμπαν δεν κατοικεί μόνο στις 4 διαστάσεις του χώρου και του χρόνου, αλλά σε ένα πολύ μεγαλύτερο «πεδίο» του οποίου η διαστατικότητα μπορεί να είναι τεράστια (βλ. Does Space Have More Than 3 Dimensions?). Τόσο οι θεωρίες Superstring theory όσο και οι Supersymmetric Grand Unified Theories (SUSY GUTs) συμφωνούν ότι ο φυσικός μας κόσμος πρέπει να έχει περισσότερες από τις 4 διαστάσεις που έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε.

Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της θεωρίας των υπερχορδών είναι ότι, από όλες τις πιθανές διαστατικότητες του χωροχρόνου, μόνο στις 10 διαστάσεις (9 διαστάσεις χώρου και 1 διάσταση χρόνου) η θεωρία οδηγεί σε ένα υπολογιστικά πεπερασμένο και εσωτερικά συνεπές μοντέλο για τον φυσικό κόσμο, το οποίο περιλαμβάνει εξαρχής την ασθενή αλληλεπίδραση και στο οποίο όλες οι προβληματικές ανωμαλίες ακυρώνονται ακριβώς.

Σε έναν τέτοιο 10-διάστατο κόσμο, θεωρείται ότι 6 διαστάσεις έχουν «τυλιχθεί» ή «συμπαγοποιηθεί» (‘compactified’) σε απειροελάχιστες σφαίρες που συνοδεύουν τις 4 συντεταγμένες κάθε σημείου του χωροχρόνου. Πώς θα έμοιαζε μια περιγραφή του πρώιμου σύμπαντος από αυτή τη νέα οπτική; Οι 6 εσωτερικές διαστάσεις πιστεύεται ότι έχουν μέγεθος της τάξης των 10⁻³³ cm.

Καθώς ακολουθούμε την ιστορία του σύμπαντος προς τα πίσω στον χρόνο, οι τρεις μεγάλες διαστάσεις του χώρου συρρικνώνονται γρήγορα μέχρι που τελικά φτάνουν σε μέγεθος περίπου 10⁻³³ cm. Αυτό συνέβη κατά τη διάρκεια της Planck Era, σε χρόνο περίπου 10⁻⁴³ δευτερόλεπτα μετά το Γεγονός της Δημιουργίας. Η εικόνα του σύμπαντος κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι σχεδόν αδιανόητη.

Σήμερα, όταν παρατηρούμε το πιο μακρινό quasar, το βλέπουμε σε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Κατά την Εποχή Planck, η ύλη που αποτελούσε αυτά τα μακρινά συστήματα βρισκόταν μόλις 10⁻³³ cm μακριά από την ύλη που συγκροτεί το ίδιο σας το σώμα!

Τι ήταν τόσο ιδιαίτερο σε εκείνη την εποχή ώστε μόνο 4 από τις 10 διαστάσεις να «επιλεγούν» για να μεγαλώσουν στο τεράστιο σημερινό τους μέγεθος; Γιατί όχι 3 (2 χώρου + 1 χρόνου) ή 5 (4 χώρου + 1 χρόνου); Οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη καταφέρει να αναπτύξουν μια εξήγηση για αυτό το θεμελιώδες μυστήριο του σύμπαντός μας. Από την άλλη πλευρά, ίσως απλώς συμβαίνει ότι αν η διάσπαση των διαστάσεων του χωροχρόνου ήταν διαφορετική από «4 + 6», οι φυσικοί νόμοι των οποίων είμαστε προϊόντα θα ήταν εντελώς αφιλόξενοι για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε.

Καθώς ακολουθούμε αδιάκοπα την ιστορία του σύμπαντος σε ακόμη παλαιότερους χρόνους, το σύμπαν φαίνεται να εισέρχεται σε μια όλο και πιο συμμετρική κατάσταση. Το σύμπαν 10⁻³⁵ δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη μπορεί να ήταν γεμάτο από υπερμαζικά σωματίδια με μάζες περίπου 10¹⁵ GeV, δηλαδή περίπου 10⁻¹³ γραμμάρια το καθένα. Αυτά τα σωματίδια τελικά διασπάστηκαν στα γνωστά κουάρκ και λεπτόνια καθώς το σύμπαν ψυχόταν όσο διαστελλόταν.

Επιπλέον, ίσως υπήρχε μόνο ένα είδος «υπερδύναμης», που δρούσε σε αυτά τα σωματίδια — μια δύναμη της οποίας ο χαρακτήρας περιείχε όλα τα επιμέρους χαρακτηριστικά που σήμερα αποδίδουμε στη βαρύτητα, στον ηλεκτρομαγνητισμό και στις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Επειδή τα σωματίδια που μετέφεραν αυτή την «υπερδύναμη» είχαν μάζες παρόμοιες με εκείνες των υπερμαζικών σωματιδίων που συνυπήρχαν τότε, η διάκριση μεταξύ των φορέων των δυνάμεων και των σωματιδίων στα οποία δρούσαν πιθανότατα κατέρρευσε πλήρως και ο κόσμος έγινε πλήρως υπερσυμμετρικός.

Για να προχωρήσουμε πέρα από την Εποχή Planck, ίσως απαιτείται μια ριζική αλλαγή στον συμβατικό τρόπο σκέψης μας σχετικά με τον χώρο και τον χρόνο. Μόνο μικρές «ματιές» του κατάλληλου τρόπου σκέψης για αυτό το πολυδιάστατο τοπίο μπορούν να βρεθούν στις εξισώσεις και τις θεωρίες της σύγχρονης φυσικής.

Πέρα από την Εποχή Planck, όλες οι 10 διαστάσεις (και ίσως και άλλες) γίνονται ισότιμες, τουλάχιστον ως προς το φυσικό τους μέγεθος. Τα υπερμαζικά σωματίδια υπερχορδών αρχίζουν να μοιάζουν περισσότερο με διακυμάνσεις στη γεωμετρία του χωροχρόνου παρά με διακριτά συστατικά της αρχέγονης κοσμολογικής «σούπας».

Δεν υπήρχε μία μοναδική γεωμετρία του χωροχρόνου· αντίθετα, υπήρχε μια συνεχώς μεταβαλλόμενη κβαντική αλληλεπίδραση μεταξύ χωροχρόνων με απεριόριστη ποικιλία γεωμετριών. Όπως τα ηχητικά κύματα που συνδυάζονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν συμβολή και ενίσχυση, έτσι και ο χωροχρόνος που αναδύθηκε από την Εποχή Planck θεωρείται ότι είναι το αποτέλεσμα της υπέρθεσης ενός άπειρου αριθμού εναλλακτικών γεωμετριών χωροχρόνου οι οποίες, όταν συνδυάστηκαν, παρήγαγαν τον χωροχρόνο του οποίου αποτελούμε σήμερα μέρος.

Υπήρχε φως; Επειδή η πλειονότητα των φωτονίων πιθανότατα δεν δημιουργήθηκε σε μεγάλους αριθμούς μέχρι τουλάχιστον την αρχή της Πληθωριστικής Εποχής (Inflationary Epoch), περίπου 10⁻³⁶ δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δεν είναι αδιανόητο ότι στις πρώτες του στιγμές το σύμπαν γεννήθηκε μέσα από το σκοτάδι και όχι μέσα σε μια εκτυφλωτική λάμψη φωτός.

Το μόνο που υπήρχε σε αυτό το σκοτάδι πριν από την εμφάνιση του φωτός ήταν ένας άδειος χώρος από τον οποίο αργότερα θα αναδυόταν ο δεκαδιάστατος χωροχρόνος μας. Φυσικά, υπό αυτές τις συνθήκες δεν είναι σαφές πώς πρέπει να συνεχίσουμε να σκεφτόμαστε ακόμη και την ίδια την έννοια του χρόνου.

Με βάση τις θεωρίες που διαθέτουμε σήμερα, ίσως η συγκεκριμένη διάσταση που ονομάζουμε Χρόνο να είχε ένα σαφές μηδενικό σημείο, έτσι ώστε να μην μπορούμε καν να μιλήσουμε λογικά για το τι συνέβη πριν υπάρξει ο χρόνος. Η έννοια του «πριν» βασίζεται στην υπόθεση της χρονικής διάταξης. Ένας ταξιδιώτης που στέκεται στον Βόρειο Πόλο δεν μπορεί ποτέ να μετακινηθεί σε θέση που να βρίσκεται 1 μίλι βορειότερα από τον Βόρειο Πόλο!

Παρόλα αυτά, από βαθιά ριζωμένη συνήθεια μιλάμε για τον χρόνο πριν από τη γένεση του σύμπαντος — όταν ο χρόνος δεν υπήρχε — και ρωτάμε: «Τι συνέβη πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη;»

Ο κατάλογος των φυσικών που διερευνούν αυτή την «κατάσταση» έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 15 χρόνια. Ο αριθμός των φυσικών σε όλο τον κόσμο που δημοσιεύουν έρευνα πάνω σε αυτό το θέμα είναι λίγο περισσότερο από 200, σε έναν παγκόσμιο πληθυσμό περίπου 5 δισεκατομμυρίων ανθρώπων.

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ

Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, οι Y. Zel’dovitch και A. Starobinski της ΕΣΣΔ μαζί με τον Edward Tryon στο Hunter College πρότειναν ότι το σύμπαν προέκυψε από μια διακύμανση του κενού. Αυτή η διακύμανση του κενού «αυτοενεργοποιήθηκε», δημιουργώντας όλα τα γνωστά σωματίδια από το κενό στον «στιγμιαίο» χρόνο του μη-χρόνου.

Για να κατανοήσουμε τι σημαίνει αυτό, απαιτείται η εφαρμογή ενός θεμελιώδους γεγονότος της σχετικιστικής κβαντικής φυσικής, που ανακαλύφθηκε κατά το δεύτερο μισό της δεκαετίας του 1920. Οι διακυμάνσεις του κενού είναι άμεσο αποτέλεσμα της Αρχής Αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία περιορίζει το πόσο καλά μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τη ροπή και τη θέση ενός σωματιδίου (ή την ολική του ενέργεια και τη διάρκεια ζωής του).

Αυτό που ονομάζουμε «κενός χώρος» ή φυσικό κενό είναι μια Νευτώνεια φαντασία, όπως ο απόλυτος χώρος και ο χρόνος. Αντί να είναι μια έρημη σκηνή στην οποία η ύλη παίζει τον ρόλο της, ο κενός χώρος είναι γνωστό ότι γεμίζει με «εικονικά σωματίδια», που εμφανίζονται και εξαφανίζονται αυθόρμητα πέρα από την ικανότητα οποιασδήποτε φυσικής μέτρησης να τα εντοπίσει άμεσα. Από αυτά τα «φανταστικά σωματίδια» μπορούν να προβλεφθούν με εκπληκτική ακρίβεια διάφορα πολύ λεπτά φαινόμενα.

Ανάλογα με την ολική ενέργεια ηρεμίας των εικονικών σωματιδίων που δημιουργούνται στη διακύμανση του κενού, αυτά μπορεί να ζήσουν για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα προτού η Αρχή Αβεβαιότητας του Heisenberg απαιτήσει να επιστρέψουν στο «τίποτα» της κενής κατάστασης. Σε έναν τέτοιο κβαντικό κόσμο, τα λιγότερης μάζας σωματίδια μπορούν να ζήσουν περισσότερο από τα πιο βαριά.

Ο Edward Tryon πρότεινε ότι το σύμπαν είναι απλώς μια ιδιαίτερα μακρόβια διακύμανση του κενού, που διαφέρει μόνο σε μέγεθος από εκείνες που συμβαίνουν αδιάκριτα γύρω μας. Ο λόγος που το σύμπαν ζει τόσο πολύ παρά την τεράστια μάζα του είναι ότι η θετική ενέργεια που περιέχεται σε όλη την ύλη του σύμπαντος αντισταθμίζεται από την αρνητική δυναμική ενέργεια του βαρυτικού πεδίου του σύμπαντος. Συνεπώς, η ολική ενέργεια του σύμπαντος είναι ακριβώς μηδέν και η μέγιστη διάρκεια ζωής του ως «κβαντική διακύμανση» θα μπορούσε να είναι τεράστια ή ακόμα και άπειρη! Σύμφωνα με τον Tryon, «Το Σύμπαν είναι απλώς ένα από εκείνα τα πράγματα που συμβαίνουν από καιρό σε καιρό».

Η πρόταση αυτή του Tryon αντιμετωπίστηκε με κάποια σκεπτικισμό και ακόμη και ως αστεία από τους αστρονόμους και δεν ακολούθησε εκτεταμένη συνέχεια. Αυτή ήταν μια μοίρα που είχε επίσης βρει η εργασία σχετικά με τη 5-διάστατη γενική σχετικότητα από τους Theodore Kaluza και Oskar Klein τη δεκαετία του 1920, η οποία αναστήθηκε μόνο στα τέλη της δεκαετίας του 1970 ως ισχυρό μέσο για την αντιμετώπιση των προβλημάτων της θεωρίας της υπερσυμμετρίας.

Το 1978, οι R. Brout, P. Englert, E. Gunzig και P. Spindel στο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών πρότειναν ότι η διακύμανση που οδήγησε στη δημιουργία του σύμπαντός μας ξεκίνησε σε ένα κενό, επίπεδο, 4-διάστατο χωροχρόνο. Η διακύμανση στον χώρο ξεκίνησε ασθενώς, δημιουργώντας ίσως ένα μοναδικό ζεύγος ύλης-αντιύλης από υπερμαζικά σωματίδια με μάζες 10¹⁹ GeV. Η ύπαρξη αυτού του «πρώτου ζεύγους» προκάλεσε τη δημιουργία από το κενό περισσότερων ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων, τα οποία με τη σειρά τους προκάλεσαν τη δημιουργία ακόμα περισσότερων και ούτω καθεξής. Ο χώρος έγινε έντονα καμπυλωμένος και εξερράγη, απελευθερώνοντας όλα τα υπερσωματίδια που αργότερα διασπάστηκαν στα γνωστά λεπτόνια, κουάρκ και φωτόνια.

Το 1981, οι Heinz Pagels και David Atkatz στο Rockefeller University πρότειναν ότι το «έναυσμα» του Γεγονότος Δημιουργίας ήταν ένα φαινόμενο διάτρησης (tunneling) του κενού από μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση σε χαμηλότερη. Σε αντίθεση με το μοντέλο Brout-Englert-Gunzig-Spindel που ξεκινούσε από έναν επίπεδο χωροχρόνο, οι Pagels και Atkatz υιοθέτησαν την συμπληρωματική προσέγγιση ότι το αρχικό «τίποτα» από το οποίο αναδύθηκε το σύμπαν ήταν ένας χωρικά κλειστός, συμπαγής κενός χώρος, δηλαδή είχε γεωμετρία όπως η 2-διάστατη επιφάνεια μιας σφαίρας, αλλά η διαστατικότητα της επιφάνειάς του ήταν πολύ μεγαλύτερη από 2. Και πάλι, αυτός ο χώρος δεν περιείχε κανένα είδος ύλης. Τα χαρακτηριστικά (που παραμένουν άγνωστα) της διαδικασίας tunneling καθόρισαν, ίσως τυχαία, πώς η διαστατικότητα του χωροχρόνου θα «κρυσταλλωνόταν» στη συνδυαστική μορφή 6+4, που αντιπροσωπεύει το πλήρες σύμπαν μας.

Ο Alex Vilenkin στο Tufts University πρότεινε το 1983 ότι ο χωροχρόνος μας δημιουργήθηκε από ένα «τίποτα» τόσο απόλυτο που ακόμη και η διαστατικότητά του ήταν απροσδιόριστη. Το 1984, οι Steven Hawking στο Cambridge και James Hartle στο UCSB κατέληξαν σε παρόμοιο συμπέρασμα μέσω σειράς κβαντομηχανικών υπολογισμών. Περιέγραψαν την γεωμετρική κατάσταση του σύμπαντος με όρους κυματοσυνάρτησης, η οποία καθόριζε την πιθανότητα να έχει ο χωροχρόνος μία από έναν άπειρο αριθμό πιθανών γεωμετριών.

Ένα βασικό πρόβλημα της συμβατικής θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης ήταν ότι το σύμπαν προέκυψε από μια κατάσταση όπου ο χώρος και ο χρόνος εξαφανίζονταν και η πυκνότητα του σύμπαντος γινόταν άπειρη· μια κατάσταση που ονομάζεται Ιδιομορφία (Singularity). Ο Hawking και ο Hartle κατάφεραν να δείξουν ότι αυτή η ιδιομορφία αντιπροσωπεύει ένα συγκεκριμένο είδος γεωμετρίας, η οποία θα «απλώσει» στον χωροχρόνο λόγω της κβαντικής αβεβαιότητας. Το σύμπαν φαινόταν να αναδύεται από μια μη-ιδιόμορφη κατάσταση «τίποτα», παρόμοια με την απροσδιόριστη κατάσταση που πρότεινε ο Vilenkin.

Ο φυσικός Frank Wilczyk περιγράφει καλύτερα αυτή την αξιοσημείωτη κατάσταση λέγοντας:

«Ο λόγος που υπάρχει Κάτι αντί για Τίποτα είναι ότι το Τίποτα είναι ασταθές.»

ΤΕΛΕΙΑ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ

Θεωρίες όπως οι SUSY GUTs και οι Superstrings φαίνεται να υποδηλώνουν ότι λίγα μόλις στιγμιότυπα μετά τη Δημιουργία, οι νόμοι της φυσικής και το περιεχόμενο του κόσμου βρίσκονταν σε μια υψηλά συμμετρική κατάσταση· μια υπερδύναμη και ίσως ένα είδος υπερσωματιδίου. Το μόνο που έσπαγε τη τέλεια συμμετρία αυτής της εποχής ήταν η ορισμένη κατεύθυνση και η φύση της διάστασης που ονομάζεται Χρόνος.

Πριν από τη Δημιουργία, η πρωταρχική συμμετρία μπορεί να ήταν τόσο τέλεια που, όπως πρότεινε ο Vilenkin, η διαστατικότητα του χώρου να ήταν αυτή καθ’ αυτή απροσδιόριστη. Η περιγραφή αυτής της κατάστασης αποτελεί μια τρομακτική πρόκληση σε επίπεδο σημασιολογίας και μαθηματικών, γιατί η μαθηματική πράξη καθορισμού της διαστατικότητας θα σήμαινε την επιλογή μιας δυνατότητας από όλες τις άλλες, και επομένως τη διάσπαση της τέλειας συμμετρίας αυτής της κατάστασης.

Προφανώς, τότε δεν υπήρχαν σωματίδια ύλης ή ακόμη και φωτόνια φωτός, διότι αυτά τα σωματίδια γεννήθηκαν από τις διακυμάνσεις του κενού στο ύφασμα του χωροχρόνου που συνόδευαν τη δημιουργία του σύμπαντος. Σε έναν τέτοιο κόσμο, τίποτα δεν συμβαίνει, γιατί όλα τα «γεγονότα» λαμβάνουν χώρα εντός του πλαισίου αναφοράς του χρόνου και του χώρου.

Η παρουσία ενός μοναδικού σωματιδίου σε αυτό το «τίποτα» θα είχε ακαριαία σπάσει την τέλεια συμμετρία αυτής της εποχής, διότι τότε θα υπήρχε ένα προτιμητέο σημείο στον χώρο, διαφορετικό από όλα τα άλλα· το σημείο που καταλάμβανε το σωματίδιο. Αυτό το τίποτα δεν εξελισσόταν επίσης, γιατί η εξέλιξη είναι μια διαδικασία με χρονολογική σειρά. Η εισαγωγή του χρόνου ως προτιμητέας συντεταγμένης θα είχε σπάσει κι αυτή τη συμμετρία.

Φαίνεται ότι η κατάσταση της «Υπερ-Δημιουργίας» (Trans-Creation) υπερβαίνει την συμβατική περιγραφή, γιατί οποιαδήποτε λέξη επιλέξουμε να την περιγράψουμε είναι εγγενώς φορτωμένη με το εννοιολογικό υπόβαθρο του χρόνου και του χώρου. Ο Heinz Pagels αναλογίζεται αυτό το «πρώιμο» στάδιο λέγοντας:

«Το τίποτα ‘πριν’ τη δημιουργία του σύμπαντος είναι το πιο πλήρες κενό που μπορούμε να φανταστούμε. Δεν υπήρχε χώρος, χρόνος ή ύλη. Είναι ένας κόσμος χωρίς τόπο, χωρίς διάρκεια ή αιωνιότητα…»

Μια ανασκόπηση της επιστημονικής βιβλιογραφίας των τελευταίων 20 ετών υποδηλώνει ότι μπορεί να πλησιάζουμε γρήγορα σε ένα σημαντικό σταυροδρόμι της φυσικής. Ο ένας δρόμος φαίνεται να οδηγεί σε μια μοναδική θεωρία ενοποίησης, τόσο ξεχωριστή ανάμεσα σε όλες τις άλλες, που είναι η μόνη συμβατή με όλους τους βασικούς νόμους που γνωρίζουμε. Είναι εσωτερικά συνεκτική, ικανοποιεί τις αρχές της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής και δεν απαιτεί εξωτερικές πληροφορίες για να περιγράψει τα σωματίδια και τις δυνάμεις που περιέχει. Ένα πρωτότυπο αυτής μπορεί να είναι η θεωρία των υπερχορδών (superstring theory) με το μοναδικό ρυθμιζόμενο της παράμετρο, δηλαδή την τάση της χορδής.

Ο άλλος δρόμος είναι πολύ πιο δυσοίωνος. Μπορεί να αποδειχθεί ότι θα δημιουργήσουμε διάφορα θεωρητικά συστήματα που φαίνεται να τα εξηγούν όλα, αλλά περιέχουν δύσκολα ανιχνεύσιμα σφάλματα. Αυτά τα σφάλματα μπορεί να λειτουργούν ως εμπόδια για περαιτέρω λογική διερεύνηση, αποκαλύπτονται μόνο μέσω πειραμάτων που μπορεί να ξεπερνούν την τεχνολογική μας εμβέλεια. Είναι πιθανό ότι ήδη βλέπουμε την αρχή αυτής της διαδικασίας, με την πολυπλοκότητα θεωριών, όπου οι σημαντικές αποκλίσεις εμφανίζονται μόνο σε ενέργειες κοντά στα 10¹⁹ GeV.

Βρίσκω πολύ δύσκολο να αντισταθώ στην αναλογία μεταξύ της τρέχουσας κατάστασής μας και εκείνης των Ελλήνων γεωμετρών. Για 2000 χρόνια, τα βασικά αξιώματα της Ευκλείδειας γεωμετρίας και οι συνέπειες αυτού του λογικού συστήματος παρέμεναν σταθερά. Είχε γίνει ένα κλειστό βιβλίο, με μόνο λίγους ανθρώπους στον κόσμο να προσπαθούν να βρουν εξαιρέσεις, όπως η απόδειξη της άρνησης του αξιώματος των παραλλήλων. Τελικά, κατά τον 19ο αιώνα, ανακαλύφθηκε η μη-ευκλείδεια γεωμετρία και σημειώθηκε μια αναγέννηση στη γεωμετρία.

Είναι πιθανό ότι οι φυσικοί βρίσκονται στο κατώφλι μιας παρόμοιας μεγάλης εποχής, αντιμετωπίζοντας δυσκολίες στο να εφεύρουν νέους τρόπους σκέψης για παλιά προβλήματα; Η αιγυπτιακή κοσμολογία βασιζόταν σε μοτίβα που οι άνθρωποι της εποχής μπορούσαν να δουν γύρω τους· νερό, ουρανός, γη, βιολογική αναπαραγωγή. Σήμερα εξακολουθούμε να χρησιμοποιούμε μοτίβα που βρίσκουμε στη Φύση για να εξηγήσουμε την προέλευση του σύμπαντος· τη γεωμετρία του χώρου, τα εικονικά σωματίδια και τις διακυμάνσεις του κενού.

Μπορούμε πιθανώς να περιμένουμε ότι στους επόμενους αιώνες, οι απόγονοί μας θα βρουν νέα μοτίβα και από αυτά θα δημιουργήσουν κοσμολογίες που θα ικανοποιούν τις απαιτήσεις εκείνης της εποχής, πιθανώς με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και αποτελεσματικότητα από ό,τι εμείς σήμερα. Ίσως, επίσης, σε εκείνες τις μελλοντικές εποχές, οι επιστήμονες θα θαυμάζουν την εφευρετικότητα των σύγχρονων φυσικών και αστρονόμων και πώς σε μόλις 300 χρόνια, καταφέραμε να δημιουργήσουμε τη δική μας περίτεχνη θεωρία όπως έκαναν οι Αιγύπτιοι πριν από εμάς.

Στο μεταξύ, οι φυσικοί και οι αστρονόμοι κάνουν το καλύτερο δυνατό για να δημιουργήσουν μια κοσμολογία που θα ικανοποιεί τις πνευματικές ανάγκες της εποχής μας. Σήμερα, καθώς συλλογιζόμαστε την προέλευση του σύμπαντος, βλέπουμε ένα σκοτεινό, άδειο κενό, όχι διαφορετικό από εκείνο που φαντάζονταν οι Αιγύπτιοι πρόγονοί μας. Αυτός ο κενός χώρος είναι μια κατάσταση εκλεπτυσμένης τελειότητας και συμμετρίας, που φαίνεται να ξεπερνά οποιαδήποτε γλωσσική περιγραφή. Μέσω των θεωριών μας, εκκινούμε μαθηματικά ταξίδια εξερεύνησης και παρακολουθούμε το κενό να τρέμει με τις κβαντικές δυνατότητες συμπάντων που ξεπερνούν τη φαντασία.

Το Big Bang δεν είναι πια η αρχή του σύμπαντος

Did the Big Bang begin from a singularity? Not anymore. - Big Think

— 13 Οκτωβρίου 2021

Έκπληξη: Το Big Bang δεν είναι πια η αρχή του σύμπαντος

Παλαιότερα πιστεύαμε ότι το Big Bang σήμαινε ότι το σύμπαν ξεκίνησε από μια ιδιομορφία (singularity). Σχεδόν 100 χρόνια αργότερα, δεν είμαστε τόσο σίγουροι.

Η σύγχρονη κοσμική εικόνα της ιστορίας του σύμπαντος δεν ξεκινά με μια ιδιομορφία που ταυτίζουμε με το Big Bang, αλλά με μια περίοδο κοσμικής πληθωριστικής διαστολής (cosmic inflation) που απλώνει το σύμπαν σε τεράστιες κλίμακες, με ομοιόμορφες ιδιότητες και χωρική επίπεδη μορφή. Το τέλος της πληθωριστικής φάσης σηματοδοτεί την έναρξη του θερμού Big Bang. (Credit: Nicole Rager Fuller/National Science Foundation)

Κύρια Σημεία

Το Big Bang μας διδάσκει ότι το διαστελλόμενο και ψυχόμενο σύμπαν μας ήταν νεότερο, πυκνότερο και θερμότερο στο παρελθόν.
Ωστόσο, η εξαγωγή όλων των δεδομένων πίσω σε μια ιδιομορφία οδηγεί σε προβλέψεις που διαφωνούν με ό,τι παρατηρούμε.
Αντίθετα, ο κοσμικός πληθωρισμός προηγήθηκε και προετοίμασε το Big Bang, αλλάζοντας για πάντα την ιστορία της κοσμικής μας προέλευσης.

Από πού προήλθε όλο αυτό; Σε κάθε κατεύθυνση που παρατηρούμε, βρίσκουμε αστέρια, γαλαξίες, νεφελώματα αερίου και σκόνης, ισχνά πλάσματα (tenuous plasmas) και ακτινοβολία που καλύπτει όλο το φάσμα μηκών κύματος: από ραδιοκύματα μέχρι υπέρυθρη, ορατό φως και ακτίνες γάμμα. Με όποιον τρόπο κι αν κοιτάξουμε το σύμπαν, είναι γεμάτο με ύλη και ενέργεια παντού και πάντα. Και παρ’ όλα αυτά, είναι φυσικό να υποθέσουμε ότι όλα αυτά προήλθαν από κάπου. Αν θέλετε να μάθετε την απάντηση στο μεγαλύτερο ερώτημα όλων — την ερώτηση της κοσμικής μας προέλευσης (https://bigthink.com/starts-with-a-bang/why-big-bang-happened/) — πρέπει να θέσετε την ερώτηση στο ίδιο το σύμπαν και να ακούσετε τι σας λέει.

Σήμερα, το σύμπαν όπως το βλέπουμε διαστέλλεται, αραιώνεται (γίνεται λιγότερο πυκνό) και ψύχεται. Αν και είναι δελεαστικό να εξάγουμε απλά τις προβολές στο μέλλον, όταν τα πράγματα θα γίνουν ακόμα μεγαλύτερα, λιγότερο πυκνά και ψυχρότερα, οι νόμοι της φυσικής μας επιτρέπουν να εξάγουμε αντίστοιχα και προς τα πίσω. Παλαιότερα, το σύμπαν ήταν μικρότερο, πυκνότερο και θερμότερο. Πόσο πίσω μπορούμε να πάμε αυτήν την εξαγωγή; Μαθηματικά, είναι δελεαστικό να πάμε όσο πιο πίσω γίνεται: μέχρι απειροελάχιστα μεγέθη και άπειρες πυκνότητες και θερμοκρασίες, ή αυτό που γνωρίζουμε ως ιδιομορφία. Η ιδέα μιας ιδιομορφίας που σηματοδοτεί την αρχή του χώρου, του χρόνου και του σύμπαντος ήταν για καιρό γνωστή ως Big Bang.

Αλλά φυσικά, όταν κοιτάξαμε πιο προσεκτικά, βρήκαμε ότι το σύμπαν διηγείται διαφορετική ιστορία. Ιδού πώς γνωρίζουμε ότι το Big Bang δεν είναι πλέον η αρχή του σύμπαντος.

Αμέτρητες επιστημονικές δοκιμές της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Einstein έχουν πραγματοποιηθεί, υποβάλλοντας την ιδέα σε ορισμένους από τους πιο αυστηρούς περιορισμούς που έχει επιτύχει ποτέ η ανθρωπότητα. Η πρώτη λύση του Einstein αφορούσε το όριο ασθενούς πεδίου γύρω από μια μοναδική μάζα, όπως ο Ήλιος· εφάρμοσε αυτά τα αποτελέσματα στο Ηλιακό μας Σύστημα με δραματική επιτυχία. Πολύ γρήγορα, μια χούφτα ακριβών λύσεων βρέθηκαν αργότερα. (Credit (https://www.nsf.gov/news/mmg/mmg_disp.jsp?med_id=80254): LIGO scientific collaboration, T. Pyle, Caltech/MIT)

Όπως οι περισσότερες ιστορίες στη φυσική, η προέλευση του Big Bang έχει τις ρίζες της τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό/παρατηρησιακό επίπεδο. Στη θεωρία, ο Einstein παρουσίασε τη γενική θεωρία της σχετικότητας το 1915: μια νέα θεωρία της βαρύτητας που επιδίωκε να ανατρέψει τη Νευτώνεια θεωρία της παγκόσμιας βαρύτητας. Αν και η θεωρία του Einstein ήταν πολύ πιο περίπλοκη και σύνθετη, δεν πέρασε πολύς χρόνος πριν βρεθούν οι πρώτες ακριβείς λύσεις.

Το 1916, ο Karl Schwarzschild βρήκε τη λύση για μια σημειακή μάζα, που περιγράφει μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα.
Το 1917, ο Willem de Sitter βρήκε τη λύση για ένα κενό σύμπαν με κοσμολογική σταθερά, που περιγράφει ένα εκθετικά διαστελλόμενο σύμπαν.
Από το 1916 έως το 1921, η λύση Reissner–Nordström, που βρέθηκε ανεξάρτητα από τέσσερις ερευνητές, περιέγραφε το χρονόχωρο για μια φορτισμένη, σφαιρικά συμμετρική μάζα.
Το 1921, ο Edward Kasner βρήκε μια λύση που περιέγραφε ένα σύμπαν χωρίς ύλη και ακτινοβολία, ανισοτροπικό: διαφορετικό σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
Το 1922, ο Alexander Friedmann ανακάλυψε τη λύση για ένα ισοτροπικό (ίδιο σε όλες τις κατευθύνσεις) και ομογενές (ίδιο σε όλες τις θέσεις) σύμπαν, όπου παρευρίσκονταν όλοι οι τύποι ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης της ύλης και της ακτινοβολίας.

Αυτή η τελευταία ήταν πολύ πειστική για δύο λόγους. Ο πρώτος είναι ότι περιέγραφε το σύμπαν μας στις μεγαλύτερες κλίμακες, όπου τα πράγματα φαίνονται παρόμοια, κατά μέσο όρο, παντού και σε όλες τις κατευθύνσεις. Ο δεύτερος είναι ότι αν λύσετε τις κύριες εξισώσεις αυτής της λύσης — τις εξισώσεις Friedmann — θα διαπιστώσετε ότι το σύμπαν που περιγράφει δεν μπορεί να είναι στατικό, αλλά πρέπει είτε να διαστέλλεται είτε να συστέλλεται.

Αυτό το τελευταίο γεγονός αναγνωρίστηκε από πολλούς, συμπεριλαμβανομένου του Einstein, αλλά δεν θεωρήθηκε ιδιαίτερα σοβαρά μέχρι να αρχίσουν τα παρατηρησιακά δεδομένα να το υποστηρίζουν. Στη δεκαετία του 1910, ο αστρονόμος Vesto Slipher άρχισε να παρατηρεί ορισμένα νεφελώματα, τα οποία κάποιοι υποστήριζαν ότι μπορεί να είναι γαλαξίες εκτός του Γαλαξία μας, και βρήκε ότι κινούνταν γρήγορα: πολύ ταχύτερα από οποιαδήποτε άλλα αντικείμενα μέσα στον γαλαξία μας. Επιπλέον, η πλειοψηφία τους απομακρυνόταν από εμάς, με τα πιο αχνά, μικρότερα νεφελώματα να φαίνονται γενικά ότι κινούνται γρηγορότερα.

Τότε, τη δεκαετία του 1920, ο Edwin Hubble άρχισε να μετρά τα μεμονωμένα αστέρια σε αυτά τα νεφελώματα και τελικά προσδιόρισε τις αποστάσεις τους. Δεν ήταν μόνο πολύ πιο μακριά από οτιδήποτε άλλο στον γαλαξία, αλλά αυτά που βρίσκονταν σε μεγαλύτερες αποστάσεις απομακρύνονταν ταχύτερα από τα πιο κοντινά. Όπως σύντομα συνέθεσαν ο Lemaître, ο Robertson, ο Hubble και άλλοι, το σύμπαν διαστελλόταν.

Η αρχική γραφική παράσταση του Edwin Hubble για τις αποστάσεις γαλαξιών σε σχέση με το κόκκινο μετατόπισμα (αριστερά), που καθιερώνει το διαστελλόμενο σύμπαν, σε σύγκριση με μια πιο σύγχρονη αντίστοιχη από περίπου 70 χρόνια αργότερα (δεξιά). Σε συμφωνία τόσο με την παρατήρηση όσο και με τη θεωρία, το σύμπαν επεκτείνεται. (Credit: E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

Ο Georges Lemaître ήταν ο πρώτος, το 1927, που αναγνώρισε αυτό. Μετά την ανακάλυψη της διαστολής, προέκτεινε προς τα πίσω, θεωρώντας — όπως θα έκανε κάθε ικανός μαθηματικός — ότι μπορούσε να πάει όσο πίσω ήθελε: στο λεγόμενο πρωταρχικό άτομο. Στην αρχή, συνειδητοποίησε, το σύμπαν ήταν μια θερμή, πυκνή και ταχέως διαστελλόμενη συλλογή ύλης και ακτινοβολίας, και όλα όσα μας περιβάλλουν προήλθαν από αυτήν την πρωταρχική κατάσταση.

Αυτή η ιδέα αναπτύχθηκε αργότερα από άλλους για να δημιουργήσει μια σειρά επιπλέον προβλέψεων:

Το σύμπαν, όπως το βλέπουμε σήμερα, είναι πιο εξελιγμένο από ό,τι ήταν στο παρελθόν. Όσο πιο πίσω κοιτάμε στο χώρο, τόσο πιο πίσω κοιτάμε και στο χρόνο. Έτσι, τα αντικείμενα που βλέπουμε τότε θα πρέπει να είναι νεότερα, λιγότερο βαρυτικά συσσωματωμένα, λιγότερο μαζικά, με λιγότερα βαριά στοιχεία και με λιγότερο εξελιγμένη δομή. Θα πρέπει ακόμη να υπάρχει ένα σημείο πέρα από το οποίο δεν υπήρχαν αστέρια ή γαλαξίες.
Σε κάποιο σημείο, η ακτινοβολία ήταν τόσο θερμή που τα ουδέτερα άτομα δεν μπορούσαν να σχηματιστούν σταθερά, διότι η ακτινοβολία θα απέκλειε αξιόπιστα οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα με τον οποίο προσπαθούσε να δεσμευτεί, και έτσι θα υπήρχε ένα υπόλοιπο — τώρα ψυχρό και αραιό — λουτρό κοσμικής ακτινοβολίας από εκείνη την εποχή.
Σε μια εξαιρετικά πρώιμη στιγμή θα ήταν τόσο θερμό που ακόμη και οι ατομικοί πυρήνες θα διασπώνταν, υποδηλώνοντας μια πρώιμη, προαστρική φάση όπου θα συνέβαινε πυρηνική σύντηξη: η σύνθεση στοιχείων του Big Bang. Από αυτό, αναμένουμε να υπήρχε τουλάχιστον ένας πληθυσμός ελαφρών στοιχείων και των ισοτόπων τους διασκορπισμένος σε όλο το σύμπαν πριν σχηματιστούν τα αστέρια.

Μια οπτική ιστορία του διαστελλόμενου σύμπαντος περιλαμβάνει την θερμή, πυκνή κατάσταση γνωστή ως Big Bang και την ανάπτυξη και σχηματισμό δομών στη συνέχεια. Το πλήρες σύνολο δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων των παρατηρήσεων των ελαφρών στοιχείων και του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, αφήνει μόνο το Big Bang ως έγκυρη εξήγηση για ό,τι βλέπουμε. (Credit: NASA/CXC/M. Weiss)

Σε συνδυασμό με το διαστελλόμενο σύμπαν, αυτά τα τέσσερα σημεία έγιναν οι ακρογωνιαίοι λίθοι του Big Bang. Η ανάπτυξη και εξέλιξη της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος, των μεμονωμένων γαλαξιών και των πληθυσμών αστέρων μέσα σε αυτούς τους γαλαξίες επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις του Big Bang. Η ανακάλυψη ενός λουτρού ακτινοβολίας περίπου ~3 Κ πάνω από το απόλυτο μηδέν — σε συνδυασμό με το φάσμα μέλανος σώματος και τις μικροατέλειες θερμοκρασίας σε επίπεδα δεκάδων έως εκατοντάδων μικροκέλβιν — αποτέλεσε το κλειδί που επικύρωσε το Big Bang και απέκλεισε πολλές από τις πιο δημοφιλείς εναλλακτικές του. Και η ανακάλυψη και μέτρηση των ελαφρών στοιχείων και των αναλογιών τους — συμπεριλαμβανομένων του υδρογόνου, δευτερίου, ηλίου-3, ηλίου-4 και λιθίου-7 — αποκάλυψε όχι μόνο ποιος τύπος πυρηνικής σύντηξης συνέβη πριν από το σχηματισμό των αστέρων, αλλά και την ολική ποσότητα κανονικής ύλης που υπάρχει στο σύμπαν.

Η προέκταση πίσω όσο μπορούν να μας οδηγήσουν τα στοιχεία είναι μια τεράστια επιτυχία για την επιστήμη. Η φυσική που συνέβη κατά τα πρώτα στάδια του θερμού Big Bang αποτυπώθηκε στο σύμπαν, επιτρέποντάς μας να δοκιμάσουμε τα μοντέλα, τις θεωρίες και την κατανόησή μας για το σύμπαν από εκείνη την εποχή. Η πρώιμη παρατηρήσιμη αποτύπωση, στην πραγματικότητα, είναι το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων, του οποίου οι επιδράσεις εμφανίζονται τόσο στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (η υπολειπόμενη ακτινοβολία του Big Bang) όσο και στη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος. Αυτό το υπόβαθρο νετρίνων μας φτάνει, αξιοσημείωτα, μόλις ~1 δευτερόλεπτο μετά το θερμό Big Bang.

Αν δεν υπήρχαν ταλαντώσεις λόγω της αλληλεπίδρασης της ύλης με την ακτινοβολία στο σύμπαν, δεν θα υπήρχαν κυματισμοί εξαρτώμενοι από κλίμακα στον συσχετισμό γαλαξιών. Οι ίδιοι οι κυματισμοί, εμφανιζόμενοι με το μη-κυματιστό μέρος αφαιρεμένο (κάτω), εξαρτώνται από την επίδραση των κοσμικών νετρίνων που θεωρούνται παρόντα από το Big Bang. Η κανονική κοσμολογία Big Bang αντιστοιχεί σε β=1. (Credit: D. Baumann et al., Nature Physics, 2019)

Αλλά η προέκταση πέρα από τα όρια των μετρήσιμων στοιχείων είναι ένα επικίνδυνο, αν και δελεαστικό, παιχνίδι. Μετά από όλα, αν μπορούμε να εντοπίσουμε το θερμό Big Bang πίσω περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, μέχρι τη στιγμή που το σύμπαν ήταν λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο, ποιο είναι το κακό αν πάμε μόνο ένα δευτερόλεπτο ακόμα πίσω: στην ιδιομορφία που προβλέπεται ότι υπήρχε όταν το σύμπαν ήταν 0 δευτερόλεπτα;

Η απάντηση, εκπληκτικά, είναι ότι υπάρχει τεράστιο πρόβλημα — αν είστε σαν κι εμένα που θεωρείτε ότι το «κάνουμε αβάσιμες, λανθασμένες υποθέσεις για την πραγματικότητα» είναι επιβλαβές. Ο λόγος που αυτό είναι προβληματικό είναι ότι η αρχή από μια ιδιομορφία — σε αυθαίρετα υψηλές θερμοκρασίες, αυθαίρετα υψηλές πυκνότητες και αυθαίρετα μικρούς όγκους — θα έχει συνέπειες για το σύμπαν μας που δεν υποστηρίζονται απαραίτητα από τις παρατηρήσεις.

Για παράδειγμα, αν το σύμπαν ξεκίνησε από μια ιδιομορφία, τότε θα πρέπει να έχει δημιουργηθεί με ακριβώς τη σωστή ισορροπία «πράγματος» μέσα του — ύλη και ενέργεια μαζί — για να ισορροπήσει ακριβώς ο ρυθμός διαστολής. Αν υπήρχε μόνο λίγη περισσότερη ύλη, το αρχικά διαστελλόμενο σύμπαν θα είχε ήδη επανακαταρεύσει μέχρι τώρα. Και αν υπήρχε μόνο λίγη λιγότερη, τα πράγματα θα είχαν διασταλεί τόσο γρήγορα που το σύμπαν θα ήταν πολύ μεγαλύτερο από ό,τι είναι σήμερα.

ιδιομορφία (singularity)

Αν το σύμπαν είχε μόνο λίγο μεγαλύτερη πυκνότητα (κόκκινο), θα είχε ήδη επανακαταρεύσει· αν είχε μόνο λίγο μικρότερη πυκνότητα, θα είχε διασταλεί πολύ πιο γρήγορα και θα ήταν πολύ μεγαλύτερο. Το Big Bang από μόνο του δεν προσφέρει εξήγηση για το γιατί ο αρχικός ρυθμός διαστολής τη στιγμή της γέννησης του σύμπαντος ισορροπεί τόσο τέλεια με τη συνολική ενεργειακή πυκνότητα, αφήνοντας καμία δυνατότητα για χωρική καμπυλότητα. (Credit: Ned Wright’s cosmology tutorial)

Κι όμως, αυτό που παρατηρούμε είναι ότι ο αρχικός ρυθμός διαστολής του σύμπαντος και η συνολική ποσότητα ύλης και ενέργειας μέσα σε αυτό ισορροπούν όσο πιο τέλεια μπορούμε να μετρήσουμε.

Γιατί;

Αν το Big Bang ξεκίνησε από μια ιδιομορφία, δεν έχουμε εξήγηση· απλώς πρέπει να ισχυριστούμε ότι «το σύμπαν γεννήθηκε έτσι», ή, όπως το αποκαλούν φυσικοί που αγνοούν τη Lady Gaga, «αρχικές συνθήκες».

Ομοίως, ένα σύμπαν που έφτασε σε αυθαίρετα υψηλές θερμοκρασίες θα αναμέναμε να περιέχει υπολείμματα υψηλής ενέργειας, όπως μαγνητικά μονόπολα, αλλά δεν παρατηρούμε κανένα. Το σύμπαν θα αναμέναμε επίσης να έχει διαφορετικές θερμοκρασίες σε περιοχές που είναι αιτιακά αποσυνδεδεμένες μεταξύ τους — δηλαδή, σε αντίθετες κατευθύνσεις στο χώρο στα όρια της παρατήρησής μας — και παρόλα αυτά παρατηρείται ότι το σύμπαν έχει ίσες θερμοκρασίες παντού με ακρίβεια 99,99%+.

Πάντα μπορούμε να επικαλεστούμε τις αρχικές συνθήκες ως εξήγηση για οτιδήποτε, και να πούμε: «το σύμπαν γεννήθηκε έτσι, και τέλος». Αλλά ως επιστήμονες, ενδιαφερόμαστε πολύ περισσότερο αν μπορούμε να δώσουμε μια εξήγηση για τις ιδιότητες που παρατηρούμε.

Στην πάνω εικόνα, το σύγχρονο σύμπαν μας έχει τις ίδιες ιδιότητες (συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας) παντού επειδή προήλθαν από μια περιοχή με τις ίδιες ιδιότητες. Στη μεσαία εικόνα, ο χώρος που θα μπορούσε να είχε οποιαδήποτε αυθαίρετη καμπυλότητα διογκώνεται σε σημείο που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε καμία καμπυλότητα σήμερα, λύνοντας το πρόβλημα της επίπεδης γεωμετρίας. Και στην κάτω εικόνα, τα προϋπάρχοντα υπολείμματα υψηλής ενέργειας διογκώνονται και εξαφανίζονται, παρέχοντας λύση στο πρόβλημα των υπολειμμάτων υψηλής ενέργειας. Έτσι η κοσμική πληθωριστική φάση λύνει τα τρία μεγάλα αινίγματα που το Big Bang δεν μπορεί να εξηγήσει από μόνο του. (Credit: E. Siegel, Beyond the Galaxy)

Αυτό ακριβώς μας παρέχει ο κοσμικός πληθωρισμός, συν επιπλέον. Ο πληθωρισμός λέει: σίγουρα, εξάγουμε το θερμό Big Bang πίσω σε μια πολύ πρώιμη, πολύ θερμή, πολύ πυκνή, πολύ ομοιόμορφη κατάσταση, αλλά σταματάμε πριν φτάσουμε σε ιδιομορφία. Αν θέλουμε το σύμπαν να έχει τον ρυθμό διαστολής και τη συνολική ποσότητα ύλης και ενέργειας σε ισορροπία, χρειάζεται κάποιος μηχανισμός για να το ρυθμίσει έτσι. Το ίδιο ισχύει για ένα σύμπαν με ίσες θερμοκρασίες παντού. Σε μια ελαφρώς διαφορετική σημείωση, αν θέλουμε να αποφύγουμε υπολείμματα υψηλής ενέργειας, χρειάζεται ένας τρόπος να απομακρύνουμε τα προϋπάρχοντα και να αποτρέψουμε τη δημιουργία νέων, απαγορεύοντας στο σύμπαν να θερμανθεί υπερβολικά ξανά.

Ο πληθωρισμός επιτυγχάνει αυτό θέτοντας μια περίοδο, πριν το θερμό Big Bang, όπου το σύμπαν κυριαρχείται από μια μεγάλη κοσμολογική σταθερά (ή κάτι που συμπεριφέρεται παρόμοια): η ίδια λύση που βρήκε ο de Sitter το 1917. Αυτή η φάση ισιώνει το σύμπαν, του δίνει τις ίδιες ιδιότητες παντού, εξαφανίζει οποιαδήποτε προϋπάρχοντα υπολείμματα υψηλής ενέργειας και εμποδίζει τη δημιουργία νέων με τον περιορισμό της μέγιστης θερμοκρασίας που επιτυγχάνεται μετά το τέλος του πληθωρισμού και την έναρξη του θερμού Big Bang. Επιπλέον, υποθέτοντας ότι δημιουργήθηκαν κβαντικές διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, παράγονται νέες προβλέψεις για το τι είδους ατέλειες θα είχε το σύμπαν στην αρχή.

Οι κβαντικές διακυμάνσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού διαστέλλονται σε όλο το σύμπαν, και όταν τελειώνει ο πληθωρισμός, μετατρέπονται σε διακυμάνσεις πυκνότητας. Αυτό οδηγεί, με την πάροδο του χρόνου, στη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος σήμερα, καθώς και στις διακυμάνσεις θερμοκρασίας που παρατηρούνται στο CMB. Νέες προβλέψεις σαν αυτές είναι ουσιώδεις για την επικύρωση ενός προτεινόμενου μηχανισμού λεπτομερούς ρύθμισης. (Credit: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research)

Από τότε που υποτέθηκε τη δεκαετία του 1980, ο πληθωρισμός έχει δοκιμαστεί (https://bigthink.com/starts-with-a-bang/why-big-bang-happened/) με διάφορους τρόπους σε σύγκριση με την εναλλακτική: ένα σύμπαν που ξεκίνησε από ιδιομορφία. Όταν συγκρίνουμε τα αποτελέσματα, βρίσκουμε τα εξής:

Ο πληθωρισμός αναπαράγει όλες τις επιτυχίες του θερμού Big Bang· δεν υπάρχει τίποτα που το θερμό Big Bang να εξηγεί και ο πληθωρισμός να μην μπορεί επίσης να εξηγήσει.
Ο πληθωρισμός προσφέρει επιτυχημένες εξηγήσεις για τα αινίγματα που στο θερμό Big Bang απλώς τα αποδίδουμε στις «αρχικές συνθήκες».
Από τις προβλέψεις όπου ο πληθωρισμός και το θερμό Big Bang χωρίς πληθωρισμό διαφέρουν, τέσσερις έχουν δοκιμαστεί με αρκετή ακρίβεια για να διακρίνουν μεταξύ των δύο. Σε αυτούς τους τέσσερις τομείς, ο πληθωρισμός είναι 4/4, ενώ το θερμό Big Bang είναι 0/4.

Αλλά τα πράγματα γίνονται πραγματικά ενδιαφέροντα αν κοιτάξουμε πίσω στην ιδέα της «αρχής». Ενώ ένα σύμπαν με ύλη και/ή ακτινοβολία — όπως αυτό που έχουμε με το θερμό Big Bang — μπορεί πάντα να εξαχθεί πίσω σε μια ιδιομορφία, ένα πληθωριστικό σύμπαν δεν μπορεί. Λόγω της εκθετικής φύσης του, ακόμη κι αν γυρίσετε τον χρόνο πίσω άπειρα, ο χώρος θα προσεγγίσει μόνο απεριόριστα μικρούς όγκους και άπειρες θερμοκρασίες και πυκνότητες· δεν θα φτάσει ποτέ σε ιδιομορφία. Αυτό σημαίνει ότι, αντί να οδηγεί αναπόφευκτα σε ιδιομορφία, ο πληθωρισμός δεν μπορεί από μόνος του να σας οδηγήσει σε μια. Η ιδέα ότι «το σύμπαν ξεκίνησε από μια ιδιομορφία και αυτό ήταν το Big Bang» έπρεπε να εγκαταλειφθεί τη στιγμή που αναγνωρίσαμε ότι μια πληθωριστική φάση προηγήθηκε της θερμής, πυκνής, και γεμάτης ύλη και ακτινοβολία φάσης που κατοικούμε σήμερα.

ιδιομορφία (singularity) Οι μπλε και κόκκινες γραμμές αντιπροσωπεύουν ένα «παραδοσιακό» σενάριο Big Bang, όπου όλα ξεκινούν τη στιγμή t=0, συμπεριλαμβανομένου και του ίδιου του χωροχρόνου. Αλλά σε ένα πληθωριστικό σενάριο (κίτρινο), δεν φτάνουμε ποτέ σε ιδιομορφία, όπου ο χώρος γίνεται ιδιομορφικός· αντίθετα, μπορεί μόνο να γίνει αυθαίρετα μικρός στο παρελθόν, ενώ ο χρόνος συνεχίζει να πηγαίνει προς τα πίσω για πάντα. Μόνο το τελευταίο ελάχιστο κλάσμα δευτερολέπτου, από το τέλος του πληθωρισμού, αφήνει αποτύπωμα στο παρατηρήσιμο σύμπαν μας σήμερα. (Credit: E. Siegel)

Αυτή η νέα εικόνα μας δίνει τρία σημαντικά στοιχεία σχετικά με την αρχή του σύμπαντος, τα οποία έρχονται σε αντίθεση με την παραδοσιακή αφήγηση που οι περισσότεροι από εμάς μάθαμε.

Πρώτον, η αρχική αντίληψη του θερμού Big Bang, όπου το σύμπαν εμφανίστηκε από μια άπειρα θερμή, πυκνή και μικρή ιδιομορφία — και από τότε διαστέλλεται και ψύχεται, γεμάτο ύλη και ακτινοβολία — είναι λανθασμένη. Η εικόνα παραμένει σε μεγάλο βαθμό σωστή, αλλά υπάρχει ένα όριο στο πόσο πίσω στον χρόνο μπορούμε να την εξάγουμε.

Δεύτερον, οι παρατηρήσεις έχουν καθορίσει καλά την κατάσταση που υπήρχε πριν από το θερμό Big Bang: τον κοσμικό πληθωρισμό. Πριν από το θερμό Big Bang, το πρώιμο σύμπαν πέρασε από μια φάση εκθετικής ανάπτυξης, όπου οποιοδήποτε προϋπάρχον στοιχείο του σύμπαντος κυριολεκτικά «διογκώθηκε και εξαφανίστηκε». Όταν τελείωσε ο πληθωρισμός, το σύμπαν ξαναθερμάνθηκε σε υψηλή, αλλά όχι αυθαίρετα υψηλή, θερμοκρασία, δημιουργώντας το θερμό, πυκνό και διαστελλόμενο σύμπαν που εξελίχθηκε στο σύμπαν που κατοικούμε σήμερα.

Τέλος, και ίσως το πιο σημαντικό, δεν μπορούμε πλέον να μιλήσουμε με οποιοδήποτε είδος γνώσης ή βεβαιότητας για το πώς — ή ακόμη και αν — το ίδιο το σύμπαν ξεκίνησε. Λόγω της φύσης του πληθωρισμού, εξαλείφει οποιαδήποτε πληροφορία υπήρχε πριν από τις τελευταίες λίγες στιγμές: εκεί όπου τελείωσε και οδήγησε στο θερμό Big Bang μας. Ο πληθωρισμός θα μπορούσε να είχε διαρκέσει μια αιωνιότητα, θα μπορούσε να είχε προηγηθεί κάποια άλλη μη ιδιομορφική φάση, ή θα μπορούσε να είχε προηγηθεί μια φάση που όντως ξεκίνησε από μια ιδιομορφία. Μέχρι την ημέρα που θα ανακαλύψουμε πώς να εξάγουμε περισσότερες πληροφορίες από το σύμπαν απ’ ό,τι φαίνεται σήμερα δυνατό, δεν έχουμε άλλη επιλογή από το να αντιμετωπίσουμε την άγνοιά μας. Το Big Bang συνέβη ακόμη και πολύ καιρό πριν, αλλά δεν ήταν η αρχή που υποθέταμε παλαιότερα.

Παρανόηση του Big Bang

Misconceiving the Big Bang | Sten's Space Blog

29 Ιουλίου 2017

Το Big Bang ΔΕΝ ήταν μια επίδειξη πυροτεχνημάτων!

Το Big Bang δεν ήταν πραγματικά «μεγάλο». Ούτε ήταν πραγματικά «έκρηξη». Στην πραγματικότητα, το γεγονός που δημιούργησε το σύμπαν και τα πάντα σε αυτό ήταν ένα πολύ διαφορετικό είδος φαινομένου από αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι — ή, τουλάχιστον, οι περισσότεροι μη φυσικοί — φαντάζονται.

Ακόμη και το όνομα «Big Bang» αρχικά ήταν μια κοροϊδευτική ονομασία που επινόησε ένας επιστήμονας που δεν του άρεσε η έννοια όταν παρουσιάστηκε για πρώτη φορά. Αυτός προτιμούσε την ιδέα ότι το σύμπαν υπήρχε πάντοτε σε μια πολύ πιο αξιοπρεπή και θεμελιωδώς αμετάβλητη, σταθερή κατάσταση.

Αλλά το όνομα καθιερώθηκε, και μαζί του ήρθε η εντελώς λανθασμένη εντύπωση ότι το γεγονός ήταν σαν μια έκρηξη και ότι το σύμπαν επεκτείνεται σήμερα επειδή τα αντικείμενα σε αυτό εκτοξεύονται σαν θραύσματα μιας εκρηκτικής βόμβας.

Σχεδόν κάθε βασική πτυχή αυτής της διαισθητικής εικόνας για το Big Bang (με την οποία είμαστε «κολλημένοι» λόγω του ονόματος) είναι λανθασμένη. Για να καταλάβετε γιατί, χρειάζεται να κατανοήσετε τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein. Τουλάχιστον, χρειάζεται να έχετε μια αίσθηση αυτής. Αυτό μπορεί να φαίνεται τρομακτικό, αλλά η γενική σχετικότητα είναι η πιο επαναστατική επιστημονική πρόοδος του 20ού αιώνα, και όλοι θα έπρεπε να αποκτήσουμε κάποια αίσθηση αυτής πριν τελειώσει ο αιώνας.

Μετά από όλα, έχουν περάσει 82 χρόνια από τότε που ο Einstein παρουσίασε τη θεωρία του. Έχει δοκιμαστεί σε δεκάδες πειράματα και πάντα απέδωσε άριστα, και πλέον έχει καθιερωθεί ως ο κυριότερος οδηγός μας για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Επιπλέον, αποτελεί μέρος της θεμελίωσης της κοσμολογίας του Big Bang. Και είναι χάρη στη γενική σχετικότητα που γνωρίζουμε πως το Big Bang ήταν (και είναι, διότι το γεγονός συνεχίζεται) εντελώς διαφορετικό από μια έκρηξη.

Ο Albert Einstein ανέπτυξε τη γενική σχετικότητα για να ενσωματώσει στη διάσημη θεωρία της ειδικής σχετικότητας και τις επιδράσεις της βαρύτητας. Είναι ένας καλύτερος τρόπος από αυτόν του Sir Isaac Newton για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Όπως μια πεινασμένη αμοιβάδα, η γενική σχετικότητα (ή απλά GR για συντομία) έχει απορροφήσει τόσο τη νεοδημιουργημένη ειδική σχετικότητα του Einstein όσο και τη φυσική του Newton, δίνοντάς μας τα μέσα να αναπαράγουμε όλες τις προβλέψεις αυτών των δύο μεγάλων θεωριών, επεκτείνοντάς τες ταυτόχρονα σε άγνωστα πεδία εμπειρίας. Ένα από αυτά τα πεδία ήταν οι μαύρες τρύπες. Το άλλο ήταν το σχήμα και η εξέλιξη του ίδιου του σύμπαντος.

Η κοσμολογία του Big Bang λέει ότι το σύμπαν ήρθε στην ύπαρξη πριν από 10 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια, και ότι από μια θερμή, πυκνή κατάσταση έχει επεκταθεί και ψυχθεί από τότε — κάτι που παραμένει αδιαμφισβήτητο. Παρόλα αυτά, η κοσμολογία του Big Bang είναι ευάλωτη. Βασίζεται στο ότι η GR είναι ακριβής σε ένα τεράστιο εύρος κλιμάκων σε χρόνο και χώρο.

Πόσο καλή είναι η γενική σχετικότητα; Μέχρι τώρα, η GR έχει κάνει τις ακόλουθες συγκεκριμένες προβλέψεις:

1… Η πλήρης τροχιά του Ερμή περιστρέφεται λόγω της καμπυλωμένης γεωμετρίας του χώρου κοντά στον Ήλιο. Το μέγεθος της «μετατόπισης του περιηλίου» ανά αιώνα ήταν καλά γνωστό την εποχή που ο Einstein παρείχε την πλήρη εξήγησή του το 1915.

2… Το φως σε κάθε συχνότητα μπορεί να λυγίσει με ακριβώς τον ίδιο τρόπο από τη βαρύτητα. Αυτό επιβεβαιώθηκε το 1919 κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλειψης για το οπτικό φως χρησιμοποιώντας αστέρια κοντά στο άκρο του Ήλιου, και μεταξύ 1969-1975 χρησιμοποιώντας ραδιοεκπομπές από κβάζαρ κοντά στο άκρο του Ήλιου. Η εκτροπή του φωτός ήταν ακριβώς όπως προβλεπόταν από τη GR.

3… Τα ρολόγια πηγαίνουν πιο αργά σε ισχυρά βαρυτικά πεδία. Αυτό επιβεβαιώθηκε από τους Robert Pound και George Rebka στο Πανεπιστήμιο του Harvard το 1959, και από τον Robert Vessot τη δεκαετία του 1960 και 1970 χρησιμοποιώντας ρολόγια υδρογόνου maser υψηλής ακρίβειας σε αεροπλάνα και δορυφόρους.

4… Η βαρυτική μάζα και η αδρανειακή μάζα είναι ταυτόσημες. Πρόσφατα, το 1971, ο Vladimir Braginsky στο Πανεπιστήμιο της Μόσχας επιβεβαίωσε την πρόβλεψη της GR σε 1 μέρος στο τρισεκατομμύριο της ακριβούς ισότητας που απαιτεί η GR.

5… Οι μαύρες τρύπες υπάρχουν. Αν και αυτά τα αντικείμενα υπήρχαν ως υποψίες από την πρώτη τους παρουσίαση στους αστρονόμους στις αρχές της δεκαετίας του 1970, μόνο το 1992 ξεπεράστηκε το κρίσιμο όριο αποδοχής στην αστρονομική κοινότητα. Τότε οι παρατηρήσεις με το Hubble Space Telescope αποκάλυψαν τεράστιες μαύρες τρύπες δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών στους πυρήνες κοντινών γαλαξιών όπως οι Messier 87, Messier 33 και NGC 4261.

6… Η βαρύτητα έχει τη δική της μορφή ακτινοβολίας που μπορεί να μεταφέρει ενέργεια. Οι Russel Hulse και Joseph Taylor το 1975 ανακάλυψαν δύο πάλσαρ που περιφέρονταν το ένα γύρω από το άλλο, και με προσεκτική παρακολούθηση των παλμών τους κατά τα επόμενα 20 χρόνια, επιβεβαίωσαν ότι το σύστημα χάνει ενέργεια με ρυθμό εντός 1% της πρόβλεψης της GR με βάση την εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας.

7… Υπάρχει μια νέα δύναμη που ονομάζεται «βαρυτο-μαγνητισμός». Όπως τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία συνδέονται μεταξύ τους, σύμφωνα με τη GR, ένα περιστρεφόμενο σώμα παράγει μια δύναμη όμοια με τον μαγνητισμό, που ονομάζεται gravitomagnetism. Η GR προβλέπει ότι τα περιστρεφόμενα σώματα όχι μόνο λυγίζουν το χώρο και τον χρόνο, αλλά κάνουν και τον κενό χώρο να περιστρέφεται. Ένας δορυφόρος της NASA με την ονομασία Gravity Probe B θα εκτοξευθεί τα επόμενα χρόνια για να διαπιστωθεί αν υπάρχει αυτό το φαινόμενο. Αν δεν βρεθεί, η GR θα είναι σοβαρά τραυματισμένη παρά την μακρά σειρά άλλων επιτυχιών της. (Gravity Probe B - Wikipedia)

8… Ο χώρος μπορεί να διασταλεί κατά την διαστολή του σύμπαντος. Αυτό επιβεβαιώθηκε από την ανίχνευση της απόσυρσης των γαλαξιών από τον Edwin Hubble περίπου το 1929. Πιο πρόσφατα, το 1993, ο αστρονόμος Kenneth Kellerman επιβεβαίωσε ότι οι γωνιακές διαστάσεις των μακρινών ραδιοπηγών συρρικνώνονται σε ένα ελάχιστο και μετά αυξάνονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις, ακριβώς όπως αναμενόταν για έναν διαστελλόμενο χώρο. Αυτό δεν προβλέπεται από κανένα άλλο κοσμολογικό μοντέλο που δεν περιλαμβάνει και την διαστολή του χώρου ως πραγματικό, φυσικό φαινόμενο.

Τώρα έχουμε φτάσει σε αδιέξοδο. Αν αποδεχτούμε τις επιτυχίες της GR, αναγκαζόμαστε να δούμε τον κόσμο και το σύμπαν μέσα από τα μάτια της, και μόνο μέσα από αυτά, αφού αυτή είναι η θεωρία που ικανοποιεί όλες τις γνωστές δοκιμές μέχρι σήμερα.

Λοιπόν, πώς θα πρέπει να σκεφτόμαστε το Big Bang; Η νοητική μας εικόνα «πυροτεχνημάτων» για το Big Bang περιλαμβάνει τα εξής βασικά στοιχεία:

Έναν προϋπάρχοντα ουρανό ή χώρο στον οποίο εγχέονται τα θραύσματα της έκρηξης·
Έναν προϋπάρχοντα χρόνο που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να σημειώσουμε πότε συνέβη η έκρηξη·
Ατομικά αντικείμενα που κινούνται μέσα στο χώρο από ένα κοινό κέντρο·
Μια ορισμένη στιγμή κατά την οποία συνέβη η έκρηξη· και
Κάτι που ξεκίνησε το Big Bang.

Όλα αυτά τα στοιχεία στην απεικόνιση του Big Bang είναι εντελώς λανθασμένα σύμφωνα με τη GR!

Προϋπάρχων Χώρος;

Δεν υπήρχε!

Τα μαθηματικά της GR δηλώνουν συγκεκριμένα και αδιαμφισβήτητα ότι ο τρισδιάστατος χώρος δημιουργήθηκε στο ίδιο το Big Bang, στο «Χρόνο Μηδέν», μαζί με τα πάντα τα άλλα. Ήταν ένα «μοναδικό» γεγονός στο οποίο οι αποστάσεις μεταξύ όλων των σωματιδίων παντού εξαφανίστηκαν. Αυτό είναι απλώς ένας άλλος τρόπος να πούμε ότι ο γνωστός μας τρισδιάστατος χώρος εξαφανίστηκε. Οι θεωρητικοί που μελετούν διάφορα πρωτότυπα για τη Θεωρία των Πάντων έχουν μόνο τροποποιήσει λίγο αυτή τη δήλωση. Κατά τις πρώτες στιγμές του, το σύμπαν μπορεί να υπήρχε σε μια σχεδόν ακατανόητη κατάσταση που ίσως είχε περισσότερες από 4 διαστάσεις ή ίσως καμία καθόλου. Πολλές από αυτές τις θεωρίες υποθέτουν έναν «μητρικό χωροχρόνο» που γέννησε το δικό μας σύμπαν, αλλά δεν μπορεί κανείς ταυτόχρονα να τοποθετήσει το μυαλό του μέσα σε αυτόν τον Μητρικό Χωροχρόνο για να παρακολουθήσει το Big Bang και ταυτόχρονα μέσα στο σύμπαν μας για να δει την ύλη να κινείται. Αυτό ακριβώς απαιτεί η εικόνα των πυροτεχνημάτων.

Προϋπάρχων Χρόνος;

Και αυτός δεν υπήρχε!

Και πάλι, τα μαθηματικά της GR αντιμετωπίζουν τον χώρο και τον χρόνο μαζί ως ένα αντικείμενο που ονομάζεται «χωροχρόνος» και είναι αδιαίρετο. Στο Χρόνο Μηδέν συν ένα, είχαμε μια καλά ορισμένη ποσότητα που ονομάζεται χρόνος. Στο Χρόνο Μηδέν μείον ένα, η ίδια ποσότητα άλλαζε χαρακτήρα στα μαθηματικά και γινόταν «φανταστική». Αυτή είναι μια μαθηματική σημαία προειδοποίησης ότι κάτι τρομερά απροσδόκητο συνέβη με τον χρόνο όπως τον γνωρίζουμε. Σε ένα διάσημο απόφθεγμα του Einstein: «…ο χρόνος και ο χώρος είναι τρόποι με τους οποίους σκεφτόμαστε και όχι συνθήκες στις οποίες ζούμε». Ο Steven Hawking εξέτασε τα μαθηματικά αυτής της κατάστασης χρησιμοποιώντας την πρώιμη φυσική της Κβαντικής Βαρύτητας και επιβεβαιώνει ότι στο Big Bang, ο χρόνος «δολοφονήθηκε» με τον πιο πλήρη τρόπο. Μπορεί να μετατράπηκε σε μια άλλη «άχρονη» διάσταση του χώρου… ή έτσι φαίνεται να υποδεικνύουν τα μαθηματικά.

Ατομικά αντικείμενα που κινούνται από ένα κοινό κέντρο;

Όχι!

Η GR λέει συγκεκριμένα ότι ο χώρος δεν είναι ένα παθητικό σκηνικό πάνω στο οποίο η ύλη εκτελεί το χορό της, αλλά είναι μέλος του θιάσου. Όταν αντιμετωπίζουμε τους γαλαξίες και τον χωροχρόνο μαζί, παίρνουμε μια πολύ διαφορετική απάντηση για το τι συμβαίνει απ’ ό,τι αν τα αντιμετωπίζουμε ξεχωριστά, όπως κάνουμε ενστικτωδώς. Ο καμπύλος χώρος παραμορφώνει τις τροχιές των σωματιδίων, μερικές φορές με πολύ δραματικούς τρόπους. Αν μπαίνατε σε ένα διαστημόπλοιο και προσπαθούσατε να ταξιδέψετε στην άκρη του σύμπαντος για να κοιτάξετε πέρα από αυτήν, θα ήταν αδύνατο. Όχι μόνο δεν θα μπορούσατε να φτάσετε σε μια υποτιθέμενη «άκρη» του σύμπαντος ανεξαρτήτως πόσο μακριά ή γρήγορα ταξιδεύατε, αλλά σε ένα κλειστό σύμπαν, τελικά θα βρισκόσασταν πάλι εκεί από όπου ξεκινήσατε. Η καμπυλότητα του χώρου θα σας φέρει πίσω, με τρόπο παρόμοιο με την καμπυλότητα της Γης που θα σας φέρει σπίτι αν πετάγατε προς τα δυτικά χωρίς να αλλάξετε πορεία. Με άλλα λόγια, το σύμπαν δεν έχει άκρη στο χώρο. Δεν υπάρχει τίποτα πέρα από το πιο μακρινό αστέρι.

Ως νοητικό άγκιστρο, πολλοί έχουν χρησιμοποιήσει το παράδειγμα του φουσκωμένου μπαλονιού για να αναλογιστούν το διαστελλόμενο σύμπαν. Όπως φαίνεται από οποιοδήποτε σημείο στην επιφάνεια του μπαλονιού, όλα τα άλλα σημεία απομακρύνονται καθώς το μπαλόνι φουσκώνει. Δεν υπάρχει ένα κέντρο στην επιφάνεια του μπαλονιού που να ξεχωρίζει ως το κέντρο του Big Bang. Αυτό είναι πολύ διαφορετικό από την εικόνα των πυροτεχνημάτων, που έχει δραματικό, κοινό κέντρο. Η αναλογία με το μπαλόνι, ωστόσο, δεν είναι τέλεια, γιατί καθώς παρατηρούμε το μπαλόνι, το οπτικό μας σημείο βρίσκεται ακόμα μέσα σε μια προϋπάρχουσα μεγαλύτερη αρένα που η GR λέει ότι ποτέ δεν υπήρξε για το πραγματικό σύμπαν.

Το κέντρο του Big Bang δεν ήταν ένα σημείο στο χώρο, αλλά ένα σημείο στον χρόνο! Είναι ένα κέντρο, όχι στο υφάδι του μπαλονιού, αλλά έξω από αυτό, κατά τη 4η διάσταση… τον χρόνο. Δεν μπορούμε να δούμε αυτό το σημείο πουθενά όταν κοιτάμε μέσα στο χώρο του σύμπαντός μας προς τους μακρινούς γαλαξίες. Δεν μπορείτε να δείτε τον χρόνο! Μπορούμε μόνο να τον δούμε όταν κοιτάζουμε πίσω στον χρόνο μέσω των αρχαίων εικόνων που παίρνουμε από τα πιο μακρινά αντικείμενα που μπορούμε να παρατηρήσουμε. Βλέπουμε μια πολύ αλλαγμένη, πρώιμη ιστορία του σύμπαντος σε αυτές τις εικόνες, αλλά κανένα μοναδικό κέντρο σε χώρο.

Σε αυτό το σημείο, η κοινή λογική πρέπει να παραχωρήσει τη θέση της στα ευρήματα της GR. Και σε αυτό το ακριβές σημείο πολλοί μη φυσικοί αρνούνται να είναι τόσο ευγενικοί. Και ποιος μπορεί να τους κατηγορήσει; Αλλά υπάρχει ακόμα περισσότερο να ειπωθεί.

Αντικείμενα που κινούνται μέσα στο χώρο;

Λυπάμαι!

Η GR έχει ξανά κάτι πολύ ανησυχητικό να πει γι’ αυτό. Για εκατομμύρια χρόνια μάθαμε από την εμπειρία στις σαβάνες της Αφρικής και αλλού ότι μπορούμε να κινηθούμε μέσα στο χώρο. Καθώς οδηγούμε στον αυτοκινητόδρομο, δεν έχουμε καμία αμφιβολία για το τι συμβαίνει καθώς διανύουμε την απόσταση ανάμεσα σε σημεία αναφοράς κατά μήκος του δρόμου. Αυτή η γνώση είναι τόσο πρωταρχική που αδυνατούμε να εκφράσουμε αμφιβολία γι’ αυτήν. Αλλά η επιστήμη δεν αφορά την επιβεβαίωση των προκαταλήψεών μας. Αφορά την αποκάλυψη του πώς είναι τα πράγματα πραγματικά.

Τι θα γινόταν αν σας έλεγα ότι θα μπορούσατε να μειώσετε την απόσταση από το σπίτι σας μέχρι το Μνημείο της Ουάσινγκτον «παραμένοντας ακίνητοι» και απλώς αφήνοντας το χώρο να συρρικνώσει την απόσταση; Η GR προβλέπει ακριβώς αυτό το νέο φαινόμενο, και το σύμπαν φαίνεται να είναι το μόνο πεδίο που γνωρίζουμε σήμερα όπου αυτό συμβαίνει φυσικά. Όπως τα σημεία κολλημένα στην επιφάνεια ενός μπαλονιού σε αιώνια σταθερές συντεταγμένες γεωγραφικού μήκους και πλάτους, οι γαλαξίες παραμένουν εκεί που είναι ενώ ο χώρος διαστέλλεται ανάμεσά τους με την πάροδο του χρόνου. Δεν υπάρχει κανένας λόγος να βρίσκουμε αυτό το είδος κίνησης διαισθητικό.

Αν ο χώρος διαστέλλεται έτσι, από πού προέρχονται τα εκατομμύρια νέων κυβικών ετών φωτός από τη μια στιγμή στην άλλη; Η απάντηση σύμφωνα με τη GR είναι ότι ήταν πάντα εκεί. Για να δούμε πώς θα μπορούσε να συμβεί αυτό, μου αρέσει να φαντάζομαι το σχήμα του σύμπαντός μας ως ένα «Κοσμικό Καρπούζι». Το γεγονός ότι αυτό ισχύει μόνο για ένα «κλειστό», πεπερασμένο σύμπαν είναι απλώς μια τεχνικότητα. Τα πεπερασμένα καρπούζια είναι και φθηνότερα να τα αγοράσεις από τα άπειρα.

Η GR προβλέπει ολόκληρο το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον του σύμπαντος ταυτόχρονα, και προβλέπει ολόκληρο το τετραδιάστατο σχήμα του. Καθώς κόβουμε το τετραδιάστατο Κοσμικό Καρπούζι σε μια άκρη της κοσμικής χρονογραμμής, βλέπουμε τον τρισδιάστατο χώρο και το περιεχόμενό του λίγο μετά το Big Bang. Στην άλλη άκρη του Κοσμικού Καρπουζιού στο μακρινό μέλλον, βλέπουμε την κατάρρευση του χώρου και της ύλης λίγο πριν το Big Crunch. Αλλά ανάμεσα, οι τομές μας δείχνουν το σχήμα του χώρου (κλειστές, σφαιρικές περιοχές) και τις θέσεις των γαλαξιών (σε σταθερές θέσεις) καθώς ο χώρος διαστέλλεται από τη μια άκρη στην άλλη.

Ως μια συγκεκριμένη τομή ενός συνηθισμένου καρπουζιού, βλέπουμε ότι η σάρκα του υπήρχε πάντα στο πλήρες καρπούζι. Η σάρκα υπάρχει ως συνεχές μέσο και ποτέ δεν αναρωτιόμαστε από πού προήλθε η σάρκα σε μια συγκεκριμένη τομή. Κοσμολογικά, η GR μας ζητά να σκεφτούμε τον τρισδιάστατο χώρο με τον ίδιο τρόπο. Ο χώρος, όπως η σάρκα του καρπουζιού, υπήρχε πάντα στο πλήρες σχήμα του σύμπαντος στις 4 διαστάσεις. Αλλά μόνο στις 4 διαστάσεις αποκαλύπτεται ολόκληρο το σχήμα του σύμπαντος. Είναι μυστήριο γιατί η συνείδησή μας επιμένει να βιώνει το σύμπαν μια στιγμή τη φορά, και γι’ αυτό προκύπτει το παράδοξο του από πού προέρχεται ο χώρος. Στην πραγματικότητα δεν υπάρχει κανένα παράδοξο.

Ο χώρος δεν είναι «τίποτα» σύμφωνα με τον Einstein, είναι απλώς ένα άλλο όνομα για το βαρυτικό πεδίο του σύμπαντος. Ο Einstein είπε κάποτε:

«Ο χωροχρόνος δεν ισχυρίζεται ύπαρξη από μόνος του, αλλά μόνο ως δομική ποιότητα του [βαρυτικού] πεδίου».

Αν μπορούσατε πειραματικά να απενεργοποιήσετε τη βαρύτητα με έναν διακόπτη, ο χωροχρόνος θα εξαφανιζόταν. Αυτό είναι το απόλυτο πείραμα κατεδάφισης που γνωρίζει η φυσική, για το οποίο θα έπρεπε σίγουρα να υποβληθεί δήλωση περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Το βαρυτικό πεδίο σε μια στιγμή συνδέεται με τον εαυτό του στην επόμενη στιγμή μέσω των αδιάκοπων κβαντικών αναταράξεων των μυριάδων ατομικών σωματιδίων που, όπως οι μέλισσες σε σμήνος, αποτελούν το ίδιο το βαρυτικό πεδίο. Σε αυτή την αφρώδη αναταραχή, το βαρυτικό πεδίο πλέκεται, κβαντικό προς κβαντικό, ίσως από ακόμη πιο στοιχειώδη δομικά στοιχεία, και ίσως εδώ θα βρούμε την απόλυτη προέλευση της διαστολής του σύμπαντος και της μαγικής διάτασης του χώρου. Ελπίζουμε ότι η πολυαναμενόμενη Θεωρία των Πάντων θα έχει περισσότερα να πει γι’ αυτό, αλλά για να δοκιμάσουμε πραγματικά αυτή τη θεωρία ίσως απαιτηθούν τεχνολογίες και ανθρώπινοι πόροι που μπορούμε μόνο αμυδρά να φανταστούμε.

Υπήρχε συγκεκριμένη στιγμή για το Big Bang;

Η GR είναι απόλυτα ικανοποιημένη να προβλέψει ότι το σύμπαν μας εμφανίστηκε από μια άπειρη πυκνότητα, μηδενικού χώρου «Ιδιομορφία» στο Χρόνο Μηδέν, αλλά οι φυσικοί πλέον πιστεύουν έντονα ότι αυτή η στιγμή ήταν διασπαρμένη από πληθώρα κβαντικών επιδράσεων, ώστε να μην μπορούμε ποτέ να μιλήσουμε για χρόνο πριν από περίπου 10^-43 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang.

Όπως η Gertrude Stein κάποτε σχολίασε για την πατρίδα μου, το Oakland της Καλιφόρνια, ότι «Δεν υπάρχει ‘εκεί’ εκεί», έτσι και στα 10^-43 δευτερόλεπτα, η φύση μπορεί να μας λέει ότι πριν το Big Bang, «Δεν υπήρχε ‘Πότε’ εκεί» επίσης. Η στιγμή διαλύεται σε κάποια περίεργη κβαντική ομίχλη, και όπως υποθέτει ο Steven Hawking, ο χρόνος μπορεί στην πραγματικότητα να κάμπτεται σε μια νέα διάσταση του χώρου και να μην είναι πλέον καν οριστός σε αυτή την κατάσταση. Η κανονική GR δεν μπορεί να περιγράψει αυτήν την κατάσταση, και μόνο κάποια μελλοντική θεωρία που συνδυάζει GR και κβαντική μηχανική θα μπορέσει να μας πει περισσότερα. Ελπίζουμε.

Κάτι ξεκίνησε το Big Bang!

Τελικά φτάνουμε στο πιο δύσκολο ζήτημα της σύγχρονης κοσμολογίας. Στην εικόνα των πυροτεχνημάτων, μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα γεγονότα που οδήγησαν στην έκρηξη μέχρι και στους χημικούς που δημιούργησαν την πυρίτιδα και τύλιξαν τα εκρηκτικά. Η GR, όμως, δεν μπορεί να μας πει τίποτα για τα αντίστοιχα στάδια που οδήγησαν στο Big Bang, και στην πραγματικότητα, μία από τις ισχυρότερες δηλώσεις της είναι εκείνη που λέει ότι ο ίδιος ο χρόνος μπορεί να μην υπήρχε. Πώς, λοιπόν, μιλάμε ή σκεφτόμαστε για μια κατάσταση ή διαδικασία που ξεκίνησε όλη αυτή την ιστορία, αν δεν μας επιτρέπεται καν να διατυπώσουμε το γεγονός ως «Αυτό συνέβη πρώτα… μετά αυτό… και ύστερα μπαμ!»; Αυτό παραμένει το ουσιαστικό μυστήριο του Big Bang, το οποίο φαίνεται πεισματικά να υπερβαίνει κάθε μαθηματική περιγραφή που μπορούμε να δημιουργήσουμε για να το εξηγήσουμε.

Όλα τα λογικά πλαίσια που γνωρίζουμε βασίζονται σε αλυσίδες γεγονότων ή καταστάσεων. Όλες οι εμπειρίες μας από τέτοιες αλυσίδες στον φυσικό κόσμο έχουν οργανωθεί μέσα στον χρόνο. Ακόμη και όταν τα μαθηματικά και η θεωρία μάς λένε ότι το ερώτημα «Τι συνέβη πριν από το Big Bang ώστε να το ξεκινήσει;» δεν είναι λογικό ή θεμιτό ερώτημα, εμείς επιμένουμε να το θεωρούμε κατάλληλο ερώτημα προς τη φύση και περιμένουμε μια σαφή απάντηση. Αλλά, όπως τόσα άλλα πράγματα που μάθαμε αυτόν τον αιώνα για τον φυσικό κόσμο, τα ενστικτώδη μας κριτήρια για το ποιες ερωτήσεις πρέπει να έχουν σαφείς απαντήσεις συχνά είναι λανθασμένα όταν εξερευνούμε τα ακραία όρια του φυσικού μας κόσμου.

Έγραψα αυτό το δοκίμιο πριν δω τη νέα ταινία IMAX στο Μουσείο Αεροπορίας και Διαστήματος, «Cosmic Journey», που ήταν μακράν μία από τις πιο ωραίες και πιο ηρωικές ταινίες του είδους που είχα δει ποτέ. Αλλά φυσικά παρουσίαζε το Big Bang ως μια επίδειξη πυροτεχνημάτων. Δεν πειράζει. Δεν χρειάζεται να είναι κανείς επιστήμονας πυραύλων για να αποδεχθεί ότι το Big Bang ήταν μια θεαματική στιγμή στην ιστορία. Αυτό που είναι πραγματικά εντυπωσιακό είναι ότι η τολμηρή τόλμη των ανθρώπων μπορεί να έχει απομυθοποιήσει ένα μέρος του και να έχει αποκαλύψει ένα σύμπαν πολύ πιο παράξενο από ό,τι θα μπορούσε να φανταστεί κανείς.

Παρόλα αυτά, εξακολουθούμε να στοιχειωνόμαστε από τις διαισθήσεις και τα προαισθήματά μας που έχουν συγκεντρωθεί επί χιλιετίες και κάτω από συνθήκες πολύ διαφορετικές από τον ευρύτερο φυσικό κόσμο που τώρα εξερευνούμε. Δεν είναι περίεργο που όλα φαίνονται τόσο ξένα και βασανιστικά πολύπλοκα.

Τα μεγάλα κενά του Big Bang

Why might the Big Bang theory be in crisis very soon? | Aeon Essays

Η τρέχουσα θεωρία για την προέλευση του Σύμπαντος είναι αξιοσημείωτα επιτυχημένη αλλά γεμάτη ερμηνευτικά κενά. Αναμένονται εκπλήξεις.

από Jim Baggott + BIO

Jim Baggott)

είναι βραβευμένος Βρετανός συγγραφέας επιστημονικών βιβλίων με έδρα το Κέιπ Τάουν της Νότιας Αφρικής. Το νέο του βιβλίο Discordance: The Troubled History of the Hubble Constant (https://global.oup.com/academic/product/discordance-9780192864062)) θα δημοσιευθεί τον Οκτώβριο του 2025.

Επιμέλεια από Nigel Warburton)

Το Σύμπαν είχε αρχή; Θα φτάσει τελικά σε ένα τέλος; Πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν σε αυτό που μπορούμε να δούμε σήμερα: έναν «κοσμικό ιστό» από αστέρια, γαλαξίες, πλανήτες και, τουλάχιστον σε έναν αχνό γαλάζιο πλανήτη, αυτό που μερικές φορές περνά για ευφυή/νοήμονα ζωή;

Όχι και τόσο πολύ καιρό πριν, αυτού του είδους τα υπαρξιακά ερωτήματα θεωρούνταν ότι δεν είχαν επιστημονικές απαντήσεις. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν βρει ορισμένες απαντήσεις, μέσα από περισσότερο από έναν αιώνα αστρονομικών παρατηρήσεων και θεωρητικών εξελίξεων που υφάνθηκαν μαζί για να μας δώσουν τη θεωρία της κοσμολογίας του Big Bang. Αυτή η εξαιρετική θεωρία υποστηρίζεται από ένα ευρύ φάσμα αστρονομικών αποδείξεων, γίνεται γενικά αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα και έχει (τουλάχιστον ως όνομα) ενσωματωθεί στη λαϊκή κουλτούρα.

Δεν πρέπει να νιώθουμε υπερβολικά άνετα. Παρότι αφηγείται μια εντελώς αξιοσημείωτη ιστορία, η σημερινή θεωρία του Big Bang μας αφήνει με πολλά μη ικανοποιητικά αναπάντητα ερωτήματα, και πρόσφατες αστρονομικές παρατηρήσεις απειλούν να την υπονομεύσουν (https://aeon.co/essays/scientists-are-no-longer-sure-the-universe-began-with-a-bang) πλήρως. Η θεωρία του Big Bang μπορεί πολύ σύντομα να βρεθεί σε κρίση.

Για να καταλάβουμε γιατί, βοηθά να συνειδητοποιήσουμε ότι υπάρχουν πολύ περισσότερα στη θεωρία από το ίδιο το Big Bang. Το ότι το Σύμπαν πρέπει να είχε μια ιστορική αρχή (https://aeon.co/videos/was-there-any-before-before-the-big-bang) ήταν αναπόφευκτη συνέπεια του συμπεράσματος ότι ο χώρος μέσα σε αυτό διαστέλλεται. Το 1929, παρατηρήσεις μακρινών γαλαξιών από τον Αμερικανό αστρονόμο Edwin Hubble και τον βοηθό του Milton Humason παρήγαγαν ένα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα. Η συντριπτική πλειονότητα των γαλαξιών που είχαν μελετήσει απομακρύνονται από εμάς, με ταχύτητες άμεσα ανάλογες με τις αποστάσεις τους. Για να πάρουμε μια αίσθηση αυτών των ταχυτήτων, φανταστείτε τον πλανήτη Γη να κάνει το ετήσιο προσκύνημά του γύρω από τον Ήλιο με μια ήρεμη τροχιακή ταχύτητα περίπου 30 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Ο Hubble και ο Humason βρήκαν (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1931ApJ....74...43H/abstract) γαλαξίες να απομακρύνονται με δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, που αντιπροσωπεύουν σημαντικά κλάσματα της ταχύτητας του φωτός.

Η σχέση ταχύτητας-απόστασης του Hubble είχε προβλεφθεί από τον Βέλγο θεωρητικό Georges Lemaître λίγα χρόνια νωρίτερα και σήμερα είναι γνωστή ως ο νόμος Hubble-Lemaître. Η σταθερά αναλογίας μεταξύ ταχύτητας και απόστασης είναι η σταθερά Hubble, ένα μέτρο του ρυθμού με τον οποίο διαστέλλεται το Σύμπαν. Στην πραγματικότητα, οι γαλαξίες δεν κινούνται πραγματικά μακριά με τέτοιες υψηλές ταχύτητες, και η Γη δεν κατέχει καμία ιδιαίτερη θέση στο κέντρο του Σύμπαντος. Οι γαλαξίες παρασύρονται μακριά από τη διαστολή του χώρου που βρίσκεται ανάμεσά μας, όπως δύο σημεία σχεδιασμένα πάνω σε ένα ξεφούσκωτο μπαλόνι θα απομακρυνθούν καθώς το μπαλόνι φουσκώνει. Σε ένα σύμπαν στο οποίο ο χώρος διαστέλλεται, τα πάντα απομακρύνονται από τα πάντα.

Η ιστορία του Big Bang είναι σχεδόν τόσο συναρπαστική όσο και η ιστορία του ίδιου του Σύμπαντος.

Για να εκτιμήσουν τις αποστάσεις αυτών των γαλαξιών, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν τα λεγόμενα μεταβλητά άστρα Κηφείδες ως «πρότυπα κεριά», κοσμικούς φάρους που αναβοσβήνουν μέσα στο σκοτάδι και μπορούν να μας πουν πόσο μακριά βρίσκονται. Όμως στα τέλη της δεκαετίας του 1920 αυτά τα βασικά άστρα δεν ήταν καλά κατανοητά και οι αποστάσεις που υπολογίζονταν από αυτά υποτιμούνταν σημαντικά, οδηγώντας τους επιστήμονες να υπερεκτιμήσουν τη σταθερά Hubble και τον ρυθμό διαστολής. Χρειάστηκαν στους αστρονόμους 70 χρόνια για να το ξεκαθαρίσουν.

Μια εικόνα του Hubble που δείχνει το RS Puppis, ένα μεταβλητό άστρο Κηφείδα. Ευγενική παραχώρηση ESA/ Hubble (https://esahubble.org/images/heic1323a/)

Αλλά τέτοια προβλήματα ήταν άσχετα με το βασικό συμπέρασμα. Αν ο χώρος στο Σύμπαν διαστέλλεται, τότε η αναγωγή προς τα πίσω στον χρόνο χρησιμοποιώντας γνωστούς φυσικούς νόμους και αρχές υποδηλώνει ότι πρέπει να υπήρξε μια στιγμή κατά την οποία το Σύμπαν ήταν συμπιεσμένο σε ένα σημείο εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας και θερμοκρασίας, που αντιπροσώπευε τη φλογερή προέλευση των πάντων: χώρου, χρόνου, ύλης και ακτινοβολίας. Από όσο μπορούμε να πούμε, αυτό συνέβη σχεδόν πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Σε ένα ραδιοφωνικό πρόγραμμα του BBC που μεταδόθηκε το 1949, ο εκκεντρικός Βρετανός αστρονόμος Fred Hoyle ονόμασε αυτό τη θεωρία του «Big Bang». Το όνομα έμεινε.

Φυσικά, δεν αρκεί η θεωρία να μας λέει απλώς πότε ξεκίνησαν τα πράγματα. Απαιτούμε περισσότερα. Περιμένουμε επίσης η θεωρία του Big Bang να μας αφηγηθεί την ιστορία του σύμπαντός μας, να περιγράψει πώς το Σύμπαν εξελίχθηκε από την αρχή του και πώς έφτασε να αναπτυχθεί στον κοσμικό ιστό (https://aeon.co/essays/how-to-see-the-cosmic-web-here-on-earth) από αστέρια και γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα. Οι θεωρητικοί το ανήγαγαν σε ένα απλό υπαρξιακό ερώτημα: Γιατί υπάρχουν αστέρια και γαλαξίες; Για να δώσει μια σωστή εξήγηση, η θεωρία του Big Bang έχει η ίδια εξελιχθεί από τις όχι και τόσο ταπεινές απαρχές της, αποκτώντας καθ’ οδόν απαραίτητα πρόσθετα συστατικά, σε μια ιστορία σχεδόν τόσο συναρπαστική όσο και η ιστορία του ίδιου του Σύμπαντος.

Η θεωρία του Big Bang είναι μια θεωρία φυσικής κοσμολογίας, κατασκευασμένη πάνω σε θεμέλια που προέρχονται από λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας του Albert Einstein – ουσιαστικά της θεωρίας της βαρύτητας του Einstein – εφαρμοσμένες σε ολόκληρο το σύμπαν. Ο ίδιος ο Einstein είχε θέσει αυτή τη διαδικασία σε κίνηση το 1917. Εκείνη την εποχή, επέλεξε να παραποιήσει τις ίδιες του τις εξισώσεις για να αποκτήσει μια λύση που περιέγραφε ένα πνευματικά ικανοποιητικό στατικό, αιώνιο σύμπαν. Δέκα χρόνια αργότερα, ο Lemaître ανακάλυψε ξανά μια εναλλακτική λύση που περιέγραφε ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Παρόλο που ο Einstein την απέρριψε ως «εντελώς αποτρόπαιη», όταν βρέθηκε αντιμέτωπος με τα στοιχεία που παρουσίασαν ο Hubble και ο Humason, τελικά ανακάλεσε.

Συνεργαζόμενος με τον Ολλανδό θεωρητικό Willem de Sitter, το 1932 ο Einstein παρουσίασε μια νέα διατύπωση της θεωρίας του. Στο σύμπαν Einstein–de Sitter, ο χώρος διαστέλλεται και το Σύμπαν υποτίθεται ότι περιέχει ακριβώς αρκετή ύλη ώστε να εφαρμόζεται ένα ήπιο βαρυτικό «φρένο», διασφαλίζοντας ότι η διαστολή επιβραδύνεται και τελικά παύει μετά από άπειρο χρόνο ή τόσο μακριά στο μέλλον ώστε να μην μας απασχολεί τώρα. Αυτή η «κρίσιμη» πυκνότητα ύλης διασφαλίζει επίσης ότι ο χώρος είναι «επίπεδος» ή ευκλείδειος, πράγμα που σημαίνει ότι η γνώριμη σχολική γεωμετρία ισχύει: οι παράλληλες γραμμές δεν τέμνονται ποτέ και οι γωνίες ενός τριγώνου αθροίζονται σε 180 μοίρες. Σκεφτείτε το και αλλιώς. Η κρίσιμη πυκνότητα δίνει ένα σύμπαν «Χρυσομαλλούσας» (Goldilocks), ένα σύμπαν που τελικά θα είναι ακριβώς κατάλληλο για ανθρώπινη κατοίκηση. Εξ ορισμού, το διαστελλόμενο σύμπαν Einstein–de Sitter είναι μια πρώιμη εκδοχή της θεωρίας του Big Bang. Αποτέλεσε τη βάση της κοσμολογικής έρευνας για πολλές δεκαετίες.

Αλλά τα προβλήματα αρχίζουν αμέσως μόλις προσπαθήσουμε να χρησιμοποιήσουμε την εκδοχή Einstein–de Sitter για να αφηγηθούμε την ιστορία του δικού μας σύμπαντος. Απλώς δεν λειτουργεί.

Αν το μετα-Big Bang σύμπαν είχε διασταλεί έστω και ελάχιστα γρηγορότερα ή πιο αργά, τα άστρα και οι γαλαξίες δεν θα είχαν σχηματιστεί.

Η εφαρμογή των εξισώσεων του Einstein απαιτεί ορισμένες υποθέσεις. Μία από αυτές, που ονομάζεται κοσμολογική αρχή, υποθέτει ότι σε μεγάλη κλίμακα το Σύμπαν είναι ομογενές (το ίδιο παντού) και ισότροπο (ομοιόμορφο προς όλες τις κατευθύνσεις). Αλλά αν αυτό ίσχυε για το σύμπαν μας στις πρώτες του στιγμές μετά το Big Bang, τότε η ύλη θα είχε κατανεμηθεί ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό είναι πρόβλημα, γιατί αν η βαρύτητα τραβούσε εξίσου όλη την ύλη προς όλες τις κατευθύνσεις, τότε τίποτα δεν θα κινούνταν και έτσι δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν άστρα ή γαλαξίες. Αυτό που χρειαζόταν το πρώιμο σύμπαν ήταν λίγη ανισοτροπία, ένα πασπάλισμα περιοχών με περίσσεια ύλης που θα λειτουργούσαν ως κοσμικοί «σπόροι» για τον σχηματισμό άστρων και γαλαξιών. Τέτοια ανισοτροπία δεν μπορούσε να βρεθεί στο σύμπαν Einstein–de Sitter. Από πού λοιπόν προερχόταν;

Τα πράγματα γρήγορα έγιναν χειρότερα. Οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν ότι για να φτάσουμε στο Σύμπαν που βλέπουμε από το Big Bang της εκδοχής Einstein–de Sitter απαιτούνταν μια εξαιρετική λεπτή ρύθμιση (https://aeon.co/essays/why-does-our-universe-appear-specially-made-for-us). Αν το άμεσο μετα-Big Bang σύμπαν είχε διασταλεί έστω και ελάχιστα πιο γρήγορα ή πιο αργά, τότε τα άστρα και οι γαλαξίες δεν θα είχαν ποτέ την ευκαιρία να σχηματιστούν. Αυτή η λεπτή ρύθμιση αποδόθηκε στην κρίσιμη ή «Goldilocks» πυκνότητα της ύλης. Αποκλίσεις από την κρίσιμη πυκνότητα της τάξης μόλις ενός προς εκατό τρισεκατομμύρια – υψηλότερη ή χαμηλότερη – θα οδηγούσαν σε σύμπαντα πολύ διαφορετικά από το δικό μας, στα οποία δεν θα υπήρχε ευφυής ζωή για να δώσει μαρτυρία.

Τα πράγματα έγιναν ακόμη χειρότερα: θεωρητικές μελέτες για τον σχηματισμό σπειροειδών γαλαξιών και παρατηρησιακές μελέτες των περιστροφικών κινήσεων των άστρων τους οδήγησαν σε ένα ακόμη ιδιαίτερα δυσάρεστο συμπέρασμα. Καμία από αυτές δεν μπορούσε να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη όλη την ύλη που μπορούμε να δούμε. Υπολογισμοί βασισμένοι μόνο στην ορατή ύλη των άστρων έδειχναν ότι, ακόμη κι αν πληρούνταν οι συνθήκες για τον σχηματισμό τους, οι σπειροειδείς γαλαξίες θα έπρεπε να είναι φυσικά αδύνατοι, και τα μοτίβα περιστροφής των άστρων μέσα σε αυτούς θα έπρεπε να φαίνονται πολύ διαφορετικά. Και για να προστεθεί προσβολή στην προσβολή, όταν οι αστρονόμοι άθροισαν όλη την ύλη που μπορούσε να εντοπιστεί σε όλα τα ορατά άστρα και γαλαξίες, βρήκαν μόνο περίπου το 5 τοις εκατό της ύλης που απαιτείται για την κρίσιμη πυκνότητα. Πού βρισκόταν το υπόλοιπο Σύμπαν; Ήταν σαφές ότι υπήρχαν περισσότερα στο σύμπαν μας από όσα μπορούσαν να βρεθούν στην εκδοχή Einstein–de Sitter της θεωρίας του Big Bang.

Οι λύσεις σε μερικά από αυτά τα προβλήματα μπορούσαν να βρεθούν μόνο αν κοιτάζαμε πίσω στην ίδια την αρχή της ιστορίας του Σύμπαντος και, καθώς αυτή η στιγμή δεν είναι προσβάσιμη στους αστρονόμους, έπεσε για άλλη μια φορά στους θεωρητικούς να καταλάβουν τι μπορεί να είχε συμβεί.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μια ομάδα θεωρητικών κατέληξε στο συμπέρασμα ότι, στις πρώτες του στιγμές, το μετα-Big Bang σύμπαν θα ήταν αρκετά μικρό ώστε να υπόκειται σε τυχαίες κβαντικές διακυμάνσεις – προσωρινές μεταβολές στην ποσότητα ενέργειας που υπάρχει σε συγκεκριμένες θέσεις του χώρου, οι οποίες διέπονται από την αρχή αβεβαιότητας του Werner Heisenberg. Αυτές οι διακυμάνσεις δημιούργησαν μικροσκοπικές συγκεντρώσεις περίσσειας ύλης σε ορισμένα μέρη, αφήνοντας κενά σε άλλα. Αυτές οι ανισοτροπίες θα αποτυπώνονταν στη συνέχεια στο μεγαλύτερο σύμπαν μέσω μιας παράλογα έντονης έκρηξης εκθετικής διαστολής που ονομάζεται κοσμικός πληθωρισμός. Με αυτόν τον τρόπο, οι μικροσκοπικές συγκεντρώσεις ύλης θα μεγάλωναν ώστε να λειτουργούν ως σπόροι από τους οποίους αργότερα θα ξεπηδούσαν άστρα και γαλαξίες. Σε κάποιο βαθμό, ο κοσμικός πληθωρισμός έλυσε επίσης ορισμένες πτυχές του προβλήματος της λεπτής ρύθμισης. Ήταν σαν ένα αμβλύ εργαλείο: ανεξάρτητα από τις συνθήκες που μπορεί να επικρατούσαν στην αρχή, ο κοσμικός πληθωρισμός θα «σφυροκοπούσε» το Σύμπαν ώστε να πάρει το επιθυμητό σχήμα.

Οι θεωρητικοί επίσης συμπέραναν ότι το θερμό, νεαρό σύμπαν θα συμπεριφερόταν σαν μια σφαίρα από ηλεκτρικά φορτισμένο πλάσμα, περισσότερο ρευστό παρά αέριο. Θα περιείχε ύλη απογυμνωμένη μέχρι τα στοιχειώδη συστατικά της, σχηματίζοντας ατομικούς πυρήνες και ηλεκτρόνια μόνο όταν οι θερμοκρασίες θα είχαν ψυχρανθεί αρκετά ως αποτέλεσμα περαιτέρω διαστολής. Κατάλαβαν ότι θα υπήρχε μια μοναδική στιγμή, μόλις μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά το Big Bang, όταν η θερμοκρασία θα είχε πέσει αρκετά ώστε να επιτρέψει σε θετικά φορτισμένους ατομικούς πυρήνες (πρωτόνια και πυρήνες ηλίου) και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια να συνδυαστούν σχηματίζοντας ουδέτερα άτομα υδρογόνου και ηλίου. Αυτή η στιγμή ονομάζεται επανασύνδεση (recombination).

Το φως που θα αναπηδούσε μπρος-πίσω ανάμεσα στα φορτισμένα σωματίδια μέσα στη σφαίρα πλάσματος απελευθερώθηκε, προς όλες τις κατευθύνσεις στον χώρο, και το Σύμπαν έγινε διαφανές: κυριολεκτικά, μια στιγμή «γενηθήτω φως». Ένα μέρος αυτού του φωτός θα ήταν ορατό, αν και προφανώς δεν υπήρχε κανείς για να το δει. Αυτό είναι το αρχαιότερο φως στο Σύμπαν, γνωστό ως κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Σαν ένα αιματηρό αποτύπωμα αντίχειρα σε μια κοσμική σκηνή εγκλήματος, άφησε ένα μοτίβο μεταβολών θερμοκρασίας σε όλο τον ουρανό.

Αυτή η ακτινοβολία θα είχε ψυχθεί ακόμη περισσότερο καθώς το Σύμπαν συνέχιζε να διαστέλλεται: εκτιμήσεις το 1949 πρότειναν ότι σήμερα θα είχε θερμοκρασία περίπου 5 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (ή -268^o C), που αντιστοιχεί σε μικροκυματική και υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτή η εκτίμηση ξεχάστηκε σε μεγάλο βαθμό, για να ανακαλυφθεί ξανά το 1964. Έναν χρόνο αργότερα, καθώς οι φυσικοί έσπευδαν να κατασκευάσουν μια συσκευή για να την αναζητήσουν, οι Αμερικανοί ραδιοαστρονόμοι Arno Penzias και Robert Wilson την βρήκαν κατά λάθος. Αυτή η ανακάλυψη άλλαξε τα πάντα. Το κοσμικό υπόβαθρο, μάρτυρας γεγονότων που είχαν συμβεί όταν το Σύμπαν βρισκόταν στη βρεφική του ηλικία, ετοιμαζόταν να καταθέσει τη μαρτυρία του.

Cosmic microwave background radiation map image with blue and orange dot patterns in an oval shape on a black background.

Ένας χάρτης της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, αποτυπωμένος στον ουρανό όταν το Σύμπαν ήταν 370.000 ετών, δείχνει μικροσκοπικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας που αντιστοιχούν σε περιοχές ελαφρώς διαφορετικών πυκνοτήτων. Ευγενική παραχώρηση ESA και της Συνεργασίας Planck.

Οι μικροσκοπικές συγκεντρώσεις ύλης που δημιουργήθηκαν από κβαντικές διακυμάνσεις και αποτυπώθηκαν στο μεγαλύτερο σύμπαν μέσω του κοσμικού πληθωρισμού θα έκαναν την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου ελάχιστα θερμότερη σε ορισμένα σημεία σε σύγκριση με άλλα. Αυτό άφησε ένα μοτίβο μεταβολών θερμοκρασίας στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου σε όλο τον ουρανό, σαν ένα αιματηρό αποτύπωμα αντίχειρα σε μια κοσμική σκηνή εγκλήματος.

Αυτές οι μικρές μεταβολές θερμοκρασίας ανιχνεύθηκαν από ένα όργανο στο δορυφόρο της NASA Cosmic Background Explorer και αναφέρθηκαν το 1992. Ο George Smoot, που είχε ηγηθεί του προγράμματος για την ανίχνευσή τους, δυσκολεύτηκε να βρει υπερθετικούς όρους για να μεταφέρει τη σημασία της ανακάλυψης. «Αν είστε θρησκευόμενοι», είπε, «είναι σαν να βλέπετε τον Θεό». Τα στοιχεία ήταν πλέον εκεί. Οφείλουμε την ίδια μας την ύπαρξη στις ανισοτροπίες στην κατανομή της ύλης που δημιουργήθηκαν από κβαντικές διακυμάνσεις στο πρώιμο, μετα-Big Bang σύμπαν και αποτυπώθηκαν στο μεγαλύτερο σύμπαν από τον κοσμικό πληθωρισμό.

Αλλά ο κοσμικός πληθωρισμός δεν μπορούσε να διορθώσει τα προβλήματα που έθετε η φυσική του σχηματισμού των γαλαξιών και της περιστροφής των άστρων, ούτε μπορούσε να λύσει το πρόβλημα της ελλείπουσας πυκνότητας. Παραδόξως, μέρος της λύσης είχε ήδη προταθεί από τον ευέξαπτο Ελβετό αστρονόμο Fritz Zwicky το 1933. Οι προσπάθειές του είχαν ξεχαστεί, για να ανακαλυφθούν ξανά τη δεκαετία του 1970. Οι γαλαξίες είναι πολύ μεγαλύτεροι απ’ όσο φαίνονται, γεγονός που υποδηλώνει ότι πρέπει να υπάρχει μια μορφή αόρατης ύλης που αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητάς της. Ο Zwicky την είχε ονομάσει dunkle Materie: σκοτεινή ύλη (https://aeon.co/essays/why-its-time-to-take-alternatives-to-dark-matter-seriously). Κάθε σπειροειδής γαλαξίας, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας Γαλαξία, περιβάλλεται από ένα άλω σκοτεινής ύλης που ήταν απαραίτητο για τον σχηματισμό του και εξηγεί γιατί τα άστρα σε αυτούς τους γαλαξίες περιστρέφονται με τον τρόπο που περιστρέφονται.

Αυτό ήταν ένα σημαντικό βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση, αλλά δεν ήταν αρκετό. Ακόμη και αν η σκοτεινή ύλη εκτιμάται ότι είναι πέντε φορές πιο άφθονη στο Σύμπαν από τη συνηθισμένη ορατή ύλη, περίπου το 70 τοις εκατό του Σύμπαντος εξακολουθούσε να λείπει.

Οι αστρονόμοι διέθεταν πλέον κομμάτια στοιχείων από την πολύ πρώιμη στιγμή της ιστορίας του Σύμπαντος και από αντικείμενα πολύ αργότερα σε αυτή την ιστορία. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων ετών. Αλλά οι κοντινοί γαλαξίες των οποίων οι αποστάσεις μπορούν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας μεταβλητά άστρα Κηφείδες είναι πολύ νεότεροι. Μπορούμε να το καταλάβουμε αν αναγνωρίσουμε ότι το φως δεν ταξιδεύει από ένα μέρος σε άλλο στιγμιαία. Χρειάζεται χρόνο. Χρειάζονται οκτώ λεπτά για να φτάσει το φως σε εμάς από την επιφάνεια του Ήλιου, επομένως βλέπουμε τον Ήλιο όπως ήταν πριν από οκτώ λεπτά, κάτι που ονομάζεται χρόνος «επισκόπησης προς τα πίσω» (look-back time). Αλλά οι Κηφείδες είναι μεμονωμένα άστρα, επομένως η χρήση τους ως πρότυπα κεριά περιορίζεται σε κοντινούς γαλαξίες με μικρούς χρόνους επισκόπησης προς τα πίσω, της τάξης εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών. Για να ανασυνθέσουν την ιστορία του Σύμπαντος, οι αστρονόμοι έπρεπε με κάποιο τρόπο να βρουν έναν τρόπο να γεφυρώσουν το τεράστιο χάσμα ανάμεσα σε αυτά τα σημεία της ιστορίας του.

Είναι δυνατό να μελετηθούν πιο μακρινοί γαλαξίες, αλλά μόνο παρατηρώντας το σύνολο του φωτός από όλα τα άστρα που περιέχουν. Οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι όταν ένα μεμονωμένο άστρο εκρήγνυται σε μια θεαματική υπερκαινοφανή έκρηξη (supernova), μπορεί για ένα σύντομο διάστημα να φωτίσει έναν ολόκληρο γαλαξία, δείχνοντάς μας πού βρίσκεται ο γαλαξίας και πόσο γρήγορα παρασύρεται από τη διαστολή. Οι χρόνοι επισκόπησης προς τα πίσω μπορούσαν έτσι να επεκταθούν από εκατοντάδες σε χιλιάδες εκατομμύρια χρόνια. Μια συγκεκριμένη κατηγορία υπερκαινοφανών προσφέρθηκε ως πρότυπο κερί, και οι αποστάσεις των γαλαξιών που τις φιλοξενούν μπορούσαν να βαθμονομηθούν μελετώντας υπερκαινοφανείς σε κοντινούς γαλαξίες που διέθεταν ένα ή περισσότερα μεταβλητά άστρα Κηφείδες.

Η προσδοκία ήταν ότι, μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος θα είχε επιβραδυνθεί με τον χρόνο, φτάνοντας στον ρυθμό που μετράμε σήμερα χρησιμοποιώντας τον νόμο Hubble-Lemaître. Σύμφωνα με την εκδοχή Einstein-de Sitter, θα συνέχιζε να επιβραδύνεται και στο μέλλον, φτάνοντας τελικά σε παύση. Όμως όταν οι αστρονόμοι άρχισαν να χρησιμοποιούν τις υπερκαινοφανείς εκρήξεις (supernovae) ως πρότυπα κεριά στα τέλη της δεκαετίας του 1990, αυτό που ανακάλυψαν ήταν πραγματικά εκπληκτικό. Ο ρυθμός διαστολής στην πραγματικότητα επιταχύνεται.

Περαιτέρω δεδομένα υπέδειξαν ότι το μετα-Big Bang Σύμπαν πράγματι είχε επιβραδυνθεί, αλλά περίπου πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια αυτό αντιστράφηκε και μετατράπηκε σε επιτάχυνση. Σε μια βαθιά ειρωνική ανατροπή, το «μπάλωμα» που ο Αϊνστάιν είχε εισαγάγει στις εξισώσεις του το 1917 και εγκατέλειψε το 1932 έπρεπε τώρα να επανεισαχθεί. Ο Αϊνστάιν είχε προσθέσει έναν επιπλέον «κοσμολογικό όρο» στις εξισώσεις του, που διέπεται από μια «κοσμολογική σταθερά», η οποία προσδίδει στον κενό χώρο μια μυστηριώδη ενέργεια. Ο μόνος τρόπος να εξηγηθεί μια επιταχυνόμενη διαστολή ήταν να επαναφερθεί ο κοσμολογικός όρος του Αϊνστάιν στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Η μυστηριώδης ενέργεια του κενού χώρου ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια.

Το 1905, ο Αϊνστάιν είχε δείξει την ισοδυναμία μάζας (m) και ενέργειας (E) μέσω της εξίσωσης E = mc^2 , όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός. Δεν προκαλεί ιδιαίτερη έκπληξη ότι, όταν η κρίσιμη πυκνότητα ύλης εκφράζεται αντί γι’ αυτό ως κρίσιμη πυκνότητα μάζας-ενέργειας, η σκοτεινή ενέργεια αντιστοιχεί στο ελλείπον 70 τοις εκατό του Σύμπαντος. Μπορεί επίσης να καθορίσει και την τελική του μοίρα (https://aeon.co/essays/how-they-pinned-a-single-momentous-number-on-the-universe). Καθώς το Σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται, όλο και μεγαλύτερο μέρος του θα εξαφανίζεται από το οπτικό μας πεδίο. Και, καθώς το Σύμπαν γίνεται ολοένα ψυχρότερο, η ύλη που θα παραμένει σε προσιτή απόσταση μπορεί να οδηγηθεί αμείλικτα σε έναν «θερμικό θάνατο».

Πώς το γνωρίζουμε; Περισσότερες απαντήσεις θα μπορούσαν να βρεθούν στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Οι θεωρητικοί είχαν επίσης υποθέσει ότι ο ανταγωνισμός μεταξύ της βαρύτητας και της τεράστιας πίεσης της ακτινοβολίας στη μετα-Big Bang σφαίρα πλάσματος θα είχε προκαλέσει ακουστικές ταλαντώσεις – ηχητικά κύματα – όπου υπήρχε περίσσεια ύλης. Αυτά θα ήταν ηχητικά κύματα που διαδίδονταν με ταχύτητες μεγαλύτερες από τη μισή ταχύτητα του φωτός, οπότε ακόμη κι αν υπήρχε κάποιος για να τα ακούσει, ήταν ήχοι που δεν θα μπορούσαν να είχαν ακουστεί. Παρ’ όλα αυτά, μου αρέσει να σκέφτομαι αυτή την περίοδο ως μια εποχή κατά την οποία το Σύμπαν τραγουδούσε.

Οι ακουστικές ταλαντώσεις άφησαν χαρακτηριστικά ίχνη στη θερμοκρασία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, και στη μεγάλης κλίμακας κατανομή των γαλαξιών σε όλο το Σύμπαν. Αυτά τα ίχνη δεν μπορούν να μοντελοποιηθούν χωρίς πρώτα να υποτεθεί μια συγκεκριμένη κοσμολογία, στην περίπτωση αυτή η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης που περιλαμβάνει σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Τα αποτελέσματα μοντελοποίησης που αναφέρθηκαν το 2013 μάς λένε τι είδους Σύμπαν κατοικούμε – τη συνολική πυκνότητα ύλης και ενέργειας, το σχήμα του χώρου, τη φύση και την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης, την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς του Αϊνστάιν (και συνεπώς την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας), την πυκνότητα της ορατής ύλης, και τον σημερινό ρυθμό διαστολής (τη σταθερά Hubble). Έτσι το γνωρίζουμε.

Όμως η ιστορία δεν έχει τελειώσει ακόμη. Οι αστρονόμοι συνέχισαν να οξύνουν την κατανόησή τους για την ιστορία του Σύμπαντος μέσα από περαιτέρω μελέτες των Κηφείδων και των υπερκαινοφανών χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Επειδή αυτές είναι μελέτες που βασίζονται στη χρήση προτύπων κεριών για τη μέτρηση ταχυτήτων και αποστάσεων, παρέχουν μετρήσεις της σταθεράς Hubble και του ρυθμού διαστολής αργότερα στην ιστορία του Σύμπαντος που δεν απαιτούν την υπόθεση μιας συγκεκριμένης κοσμολογίας. Η σταθερά Hubble και ο ρυθμός διαστολής που συνάγονται από την ανάλυση των ακουστικών ταλαντώσεων αποτελούν αναγκαστικά μια εξαρτώμενη από μοντέλο πρόβλεψη, καθώς προκύπτουν από γεγονότα πολύ νωρίτερα στην ιστορία του Σύμπαντος. Για ένα διάστημα, πρόβλεψη και μέτρηση συμφωνούσαν καλά, και η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης έμοιαζε ισχυρή.

Ύστερα, περίπου από το 2010, τα πράγματα άρχισαν να πηγαίνουν ξανά στραβά. Καθώς η ακρίβεια των παρατηρήσεων βελτιωνόταν, οι προβλέψεις και οι μετρήσεις άρχισαν να αποκλίνουν. Η διαφορά είναι μικρή αλλά φαίνεται να είναι σημαντική. Ονομάζεται Hubble tension. Το Σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται λίγο πιο γρήγορα απ’ όσο θα προβλέπαμε μοντελοποιώντας τις ακουστικές ταλαντώσεις που βίωσε στη βρεφική του ηλικία. Φανταστείτε να κατασκευάζετε μια γέφυρα που εκτείνεται σε όλη την ηλικία του Σύμπαντος, ξεκινώντας ταυτόχρονα από τις δύο πλευρές του χάσματος, την «πρώιμη» και την «όψιμη». Θεμέλια, βάθρα και στηρίγματα έχουν ολοκληρωθεί, αλλά οι μηχανικοί ανακαλύπτουν τώρα με απογοήτευση ότι οι δύο πλευρές δεν συναντώνται ακριβώς στη μέση.

Τα πράγματα έχουν περιπλακεί από την ανάπτυξη διαφορετικών ειδών προτύπων κεριών που είναι κάπως πιο απλά στην ανάλυση από τους Κηφείδες, και αντίπαλες ομάδες αστρονόμων συζητούν επί του παρόντος τις λεπτομέρειες. Θα πρέπει να γνωρίζουμε μέσα στα επόμενα δύο χρόνια αν η ένταση είναι πραγματική. Και αν είναι πραγματική, τότε ένας τρόπος να διορθωθεί είναι να τροποποιηθεί ξανά η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης υποθέτοντας ότι η σκοτεινή ενέργεια έχει εξασθενήσει με τον χρόνο, κάτι που ισοδυναμεί με την υπόθεση ότι η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν δεν είναι, στην πραγματικότητα, σταθερή. Κάποια προκαταρκτικά στοιχεία γι’ αυτό δημοσιεύτηκαν (https://www.nature.com/articles/d41586-025-00837-2) τον Μάρτιο του τρέχοντος έτους.

Και υπάρχει ακόμη περισσότερη δυσκολία μπροστά. Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, που εκτοξεύθηκε την ημέρα των Χριστουγέννων του 2021, μπορεί να δει γαλαξίες (https://aeon.co/essays/jwsts-cosmic-revelations-will-change-our-interior-lives-too) με χρόνους αναδρομικής θέασης μεγαλύτερους από 13 δισεκατομμύρια χρόνια, φτάνοντας πίσω σε μια εποχή μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η κατανόησή μας για τη φυσική με βάση την τρέχουσα θεωρία υποδηλώνει ότι, σε αυτούς τους χρόνους αναδρομικής θέασης, θα περιμέναμε να δούμε τα πρώτα άστρα και γαλαξίες να σχηματίζονται. Όμως το τηλεσκόπιο βλέπει αντί γι’ αυτό ήδη πλήρως σχηματισμένους γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών. Είναι πολύ νωρίς για να πούμε αν πρόκειται για κρίση, αλλά υπάρχουν λόγοι για σημαντική ανησυχία.

Ορισμένοι κοσμολόγοι έχουν πλέον αγανακτήσει. Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε αρκετές έννοιες για τις οποίες, παρά τη μεγάλη προσπάθεια των τελευταίων 20 έως 30 ετών, δεν έχουμε εξασφαλίσει καμία επιπλέον εμπειρική απόδειξη πέρα από τη βασική ανάγκη ύπαρξής τους. Η θεωρία είναι αξιοσημείωτα επιτυχημένη, αλλά γεμάτη ερμηνευτικά κενά. Ο κοσμικός πληθωρισμός, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια είναι όλα αναγκαία, αλλά όλα συνοδεύονται από σοβαρές επιφυλάξεις και αμφιβολίες. Φανταστείτε να προσπαθείτε να εξηγήσετε την (ανθρώπινη) ιστορία του 20ού αιώνα με όρους των κοινωνικών δυνάμεων του φασισμού και του κομμουνισμού, χωρίς να μπορείτε να εξηγήσετε τι σημαίνουν αυτοί οι όροι: χωρίς να γνωρίζετε πραγματικά τι είναι, θεμελιωδώς.

Σε μια ανοικτή επιστολή που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό New Scientist το 2004, μια ομάδα αποστατών κοσμολόγων δήλωσε:

Σε κανέναν άλλο τομέα της φυσικής δεν θα γινόταν αποδεκτή αυτή η συνεχής προσφυγή σε νέα υποθετικά αντικείμενα ως τρόπος γεφύρωσης του χάσματος μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης. Θα έθετε, τουλάχιστον, σοβαρά ερωτήματα σχετικά με την εγκυρότητα της υποκείμενης θεωρίας.

Αυτό είναι απλώς η επιστημονική διαδικασία σε λειτουργία. Οι απαντήσεις σε μερικά από τα βαθύτερα ερωτήματά μας για το Σύμπαν και τη θέση μας μέσα σε αυτό μπορεί μερικές φορές να φαίνονται απογοητευτικά ελλιπείς. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι, παρά τα ελαττώματά της, η σημερινή θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης εξακολουθεί να κυριαρχεί στην επιστήμη της κοσμολογίας, και για καλούς λόγους. Όμως τα μαθήματα της ιστορίας προειδοποιούν να μη γινόμαστε υπερβολικά άνετοι. Αναμφίβολα υπάρχουν ακόμη περισσότερα να ανακαλυφθούν στην ιστορία του Σύμπαντός μας. Θα υπάρξουν κι άλλες εκπλήξεις.

Οι προκλήσεις είναι, όπως πάντα, να διατηρούμε μια αίσθηση ταπεινότητας μπροστά σε ένα αινιγματικό Σύμπαν και να κρατάμε ανοιχτό μυαλό. Όπως το έθεσε κάποτε ο Αϊνστάιν: «Η αλήθεια μιας θεωρίας δεν μπορεί ποτέ να αποδειχθεί, γιατί ποτέ δεν γνωρίζουμε αν η μελλοντική εμπειρία θα αντικρούσει τα συμπεράσματά της.»

Η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν τελικά η αρχή

The Big Bang Wasn't The Beginning, After All

Sep 21, 2017,10:00am EDT

Ethan Siegel

Starts With A Bang

Το Σύμπαν βρίσκεται εκεί έξω, περιμένοντας να το ανακαλύψετε.

Το Σύμπαν δεν άρχισε με έναν ψίθυρο, αλλά με μια έκρηξη! Τουλάχιστον, αυτό είναι που συνήθως μας λένε: ότι το Σύμπαν και όλα όσα περιέχει ήρθαν στην ύπαρξη τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. Ο χώρος, ο χρόνος, και όλη η ύλη και ενέργεια μέσα σε αυτά ξεκίνησαν από ένα μοναδικό σημείο και έπειτα διαστάλθηκαν και ψύχθηκαν, δίνοντας μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια γένεση στα άτομα, στα άστρα, στους γαλαξίες και στα σμήνη γαλαξιών που απλώνονται στα δισεκατομμύρια έτη φωτός που αποτελούν το παρατηρήσιμο Σύμπαν μας. Είναι μια ελκυστική, όμορφη εικόνα που εξηγεί πολλά από όσα βλέπουμε, από τη σημερινή μεγάλης κλίμακας δομή των δύο τρισεκατομμυρίων γαλαξιών του Σύμπαντος μέχρι τη διαρκή λάμψη της ακτινοβολίας που διαπερνά όλη την ύπαρξη. Δυστυχώς, είναι επίσης λανθασμένη, και οι επιστήμονες το γνωρίζουν αυτό εδώ και σχεδόν 40 χρόνια.

Η ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης εμφανίστηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1920 και του 1930. Όταν κοιτάξαμε μακρινούς γαλαξίες, ανακαλύψαμε κάτι παράξενο: όσο πιο μακριά από εμάς βρίσκονταν, τόσο πιο γρήγορα φαίνονταν να απομακρύνονται από εμάς. Σύμφωνα με τις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, ένα στατικό Σύμπαν θα ήταν βαρυτικά ασταθές· όλα θα έπρεπε είτε να απομακρύνονται μεταξύ τους είτε να καταρρέουν το ένα προς το άλλο, αν ο ιστός του χώρου υπάκουε στους νόμους του. Η παρατήρηση αυτής της φαινομενικής απομάκρυνσης μάς δίδαξε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται σήμερα, και αν τα πράγματα απομακρύνονται όλο και περισσότερο όσο περνά ο χρόνος, αυτό σημαίνει ότι στο μακρινό παρελθόν ήταν πιο κοντά μεταξύ τους.

Ένα διαστελλόμενο Σύμπαν δεν σημαίνει μόνο ότι τα πράγματα απομακρύνονται με τον χρόνο· σημαίνει επίσης ότι το φως που υπάρχει στο Σύμπαν τεντώνεται σε μήκος κύματος καθώς προχωρούμε προς το μέλλον στον χρόνο. Επειδή το μήκος κύματος καθορίζει την ενέργεια (τα μικρότερα μήκη κύματος είναι πιο ενεργητικά), αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν ψύχεται καθώς γερνάμε, και συνεπώς στο παρελθόν ήταν θερμότερο. Αν επεκτείνουμε αυτή τη λογική αρκετά προς τα πίσω, φτάνουμε σε μια εποχή όπου όλα ήταν τόσο θερμά ώστε ούτε καν ουδέτερα άτομα δεν μπορούσαν να σχηματιστούν. Αν αυτή η εικόνα ήταν σωστή, θα έπρεπε σήμερα να βλέπουμε μια υπολειπόμενη λάμψη ακτινοβολίας προς όλες τις κατευθύνσεις, που θα είχε ψυχθεί σε λίγους μόλις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η ανακάλυψη αυτής της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου το 1964 από τους Arno Penzias και Bob Wilson αποτέλεσε μια συγκλονιστική επιβεβαίωση της Μεγάλης Έκρηξης.

Είναι λοιπόν δελεαστικό να συνεχίσουμε να προεκτείνουμε την ιστορία προς τα πίσω στον χρόνο, σε εποχές όπου το Σύμπαν ήταν ακόμη θερμότερο, πυκνότερο και πιο συμπαγές. Αν συνεχίσουμε να πηγαίνουμε προς τα πίσω, θα βρούμε:

Μια εποχή όπου ήταν υπερβολικά θερμό για να σχηματιστούν ατομικοί πυρήνες, όπου η ακτινοβολία ήταν τόσο θερμή ώστε κάθε δεσμευμένο ζεύγος πρωτονίων και νετρονίων θα διαλυόταν.
Μια εποχή όπου ζεύγη ύλης και αντιύλης μπορούσαν να σχηματίζονται αυθόρμητα, καθώς το Σύμπαν ήταν τόσο ενεργητικό ώστε ζεύγη σωματιδίων/αντισωματιδίων μπορούσαν να δημιουργούνται αυθόρμητα.
Μια εποχή όπου μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια διασπώνταν σε ένα πλάσμα κουάρκ–γλουονίων, επειδή οι θερμοκρασίες και οι πυκνότητες ήταν τόσο υψηλές ώστε το Σύμπαν γινόταν πυκνότερο από το εσωτερικό ενός ατομικού πυρήνα.
Και τέλος, μια εποχή όπου η πυκνότητα και η θερμοκρασία αυξάνονταν σε άπειρες τιμές, καθώς όλη η ύλη και η ενέργεια του Σύμπαντος περιέχονταν σε ένα και μοναδικό σημείο: μια ιδιομορφία (singularity).

Αυτό το τελευταίο σημείο — αυτή η ιδιομορφία όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν — θεωρείται επίσης ότι αντιπροσωπεύει την προέλευση του χώρου και του χρόνου. Αυτή ήταν η απόλυτη ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης.

Φυσικά, όλα εκτός από αυτό το τελευταίο σημείο έχουν επιβεβαιωθεί ως αληθινά! Έχουμε δημιουργήσει πλάσματα κουάρκ–γλουονίων στο εργαστήριο· έχουμε δημιουργήσει ζεύγη ύλης και αντιύλης· έχουμε κάνει τους υπολογισμούς για το ποια ελαφρά στοιχεία θα σχηματίζονταν και σε ποιες αφθονίες στα πρώτα στάδια του Σύμπαντος, πραγματοποιήσαμε τις μετρήσεις και βρήκαμε ότι συμφωνούν με τις προβλέψεις της Μεγάλης Έκρηξης. Προχωρώντας ακόμη περισσότερο προς το παρόν, έχουμε μετρήσει τις διακυμάνσεις στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και έχουμε δει πώς σχηματίζονται και αναπτύσσονται βαρυτικά δεσμευμένες δομές όπως τα άστρα και οι γαλαξίες. Όπου κι αν κοιτάξουμε, βρίσκουμε μια εντυπωσιακή συμφωνία μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης. Η Μεγάλη Έκρηξη φαίνεται να είναι νικητής.

Εκτός, δηλαδή, από μερικά σημεία. Τρία συγκεκριμένα πράγματα που θα περιμένατε από τη Μεγάλη Έκρηξη δεν συνέβησαν. Συγκεκριμένα:

Το Σύμπαν δεν έχει διαφορετικές θερμοκρασίες σε διαφορετικές κατευθύνσεις, παρόλο που μια περιοχή δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά προς μία κατεύθυνση δεν είχε ποτέ χρόνο (από τη Μεγάλη Έκρηξη) να αλληλεπιδράσει ή να ανταλλάξει πληροφορία με μια περιοχή δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Το Σύμπαν δεν έχει μετρήσιμη χωρική καμπυλότητα διαφορετική από το μηδέν, παρόλο που ένα Σύμπαν απολύτως χωρικά επίπεδο απαιτεί μια τέλεια ισορροπία μεταξύ της αρχικής διαστολής και της πυκνότητας ύλης και ακτινοβολίας.
Το Σύμπαν δεν έχει καθόλου υπολειπόμενα υπερ-υψηλής ενέργειας κατάλοιπα από τις πρώτες εποχές, παρόλο που οι θερμοκρασίες που θα δημιουργούσαν τέτοια κατάλοιπα θα έπρεπε να είχαν υπάρξει αν το Σύμπαν ήταν αυθαίρετα θερμό.

Οι θεωρητικοί που σκέφτονταν αυτά τα προβλήματα άρχισαν να εξετάζουν εναλλακτικές σε μια «ιδιομορφία» για τη Μεγάλη Έκρηξη, και αντί γι’ αυτό να αναρωτιούνται τι θα μπορούσε να αναδημιουργήσει εκείνη τη θερμή, πυκνή, διαστελλόμενη και ψυχόμενη κατάσταση αποφεύγοντας αυτά τα προβλήματα. Τον Δεκέμβριο του 1979, ο Alan Guth βρήκε μια λύση.

Αντί για μια αυθαίρετα θερμή και πυκνή κατάσταση, το Σύμπαν θα μπορούσε να είχε αρχίσει από μια κατάσταση όπου δεν υπήρχε ύλη, καμία ακτινοβολία, καμία αντιύλη, κανένα νετρίνο και κανένα σωματίδιο απολύτως. Όλη η ενέργεια που υπήρχε στο Σύμπαν θα ήταν δεσμευμένη στον ίδιο τον ιστό του χώρου: μια μορφή ενέργειας κενού, η οποία προκαλεί στο Σύμπαν να διαστέλλεται με εκθετικό ρυθμό. Σε αυτή την κοσμική κατάσταση θα εξακολουθούσαν να υπάρχουν κβαντικές διακυμάνσεις, και έτσι καθώς ο χώρος διαστελλόταν, αυτές οι διακυμάνσεις θα τεντώνονταν σε όλο το Σύμπαν, δημιουργώντας περιοχές με ελαφρώς μεγαλύτερη ή ελαφρώς μικρότερη πυκνότητα ενέργειας από τον μέσο όρο. Και τελικά, όταν αυτή η φάση του Σύμπαντος — αυτή η περίοδος του πληθωρισμού — έφτανε στο τέλος της, αυτή η ενέργεια θα μετατρεπόταν σε ύλη και ακτινοβολία, δημιουργώντας τη θερμή και πυκνή κατάσταση που είναι συνώνυμη με τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αυτό θεωρήθηκε μια πειστική αλλά υποθετική ιδέα, όμως υπήρχε τρόπος να ελεγχθεί. Αν μπορούσαμε να μετρήσουμε τις διακυμάνσεις στη λάμψη που απέμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη και αυτές εμφάνιζαν ένα συγκεκριμένο μοτίβο συμβατό με τις προβλέψεις του πληθωρισμού, τότε αυτό θα αποτελούσε ένα «αδιαμφισβήτητο στοιχείο» για τον πληθωρισμό. Επιπλέον, αυτές οι διακυμάνσεις θα έπρεπε να είναι πολύ μικρές σε μέγεθος: αρκετά μικρές ώστε το Σύμπαν να μην μπορούσε ποτέ να έχει φτάσει τις θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη δημιουργία καταλοίπων υψηλής ενέργειας, και πολύ μικρότερες από τις θερμοκρασίες και πυκνότητες στις οποίες ο χώρος και ο χρόνος θα φαίνονταν να αναδύονται από μια ιδιομορφία. Στη δεκαετία του 1990, στη δεκαετία του 2000 και ξανά στη δεκαετία του 2010, μετρήσαμε αυτές τις διακυμάνσεις με λεπτομέρεια και βρήκαμε ακριβώς αυτό.

Το συμπέρασμα ήταν αναπόφευκτο: η θερμή Μεγάλη Έκρηξη σίγουρα συνέβη, αλλά δεν εκτείνεται μέχρι πίσω σε μια αυθαίρετα θερμή και πυκνή κατάσταση. Αντί γι’ αυτό, το πολύ πρώιμο Σύμπαν πέρασε μια χρονική περίοδο όπου όλη η ενέργεια που θα κατέληγε στην ύλη και την ακτινοβολία που υπάρχουν σήμερα ήταν δεσμευμένη στον ίδιο τον ιστό του χώρου. Αυτή η περίοδος, γνωστή ως κοσμικός πληθωρισμός, έφτασε κάποτε στο τέλος της και έδωσε γένεση στη θερμή Μεγάλη Έκρηξη, αλλά δεν δημιούργησε ποτέ μια αυθαίρετα θερμή και πυκνή κατάσταση, ούτε δημιούργησε μια ιδιομορφία. Τι συνέβη πριν από τον πληθωρισμό — ή αν ο πληθωρισμός ήταν αιώνιος προς το παρελθόν — παραμένει ακόμη ένα ανοιχτό ερώτημα, αλλά ένα πράγμα είναι βέβαιο: η Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι η αρχή του Σύμπαντος!

Δεν Υπήρξε Ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης

There Was No Big Bang Singularity

Jul 27, 2018,10:00am EDT

Ethan Siegel

Starts With A Bang

Το Σύμπαν βρίσκεται εκεί έξω, περιμένοντας να το ανακαλύψετε.

Σχεδόν όλοι έχουν ακούσει την ιστορία της Μεγάλης Έκρηξης. Αλλά αν ζητήσετε από οποιονδήποτε, από έναν απλό άνθρωπο μέχρι έναν κοσμολόγο, να ολοκληρώσει την ακόλουθη πρόταση, «Στην αρχή υπήρχε…», θα πάρετε μια πληθώρα διαφορετικών απαντήσεων. Μία από τις πιο συνηθισμένες είναι «μια ιδιομορφία» (singularity), που αναφέρεται σε μια στιγμή όπου όλη η ύλη και η ενέργεια του Σύμπαντος ήταν συγκεντρωμένες σε ένα μοναδικό σημείο. Οι θερμοκρασίες, οι πυκνότητες και οι ενέργειες του Σύμπαντος θα ήταν αυθαίρετα, απείρως μεγάλες, και θα μπορούσαν ακόμη και να συμπίπτουν με τη γέννηση του ίδιου του χρόνου και του χώρου.

Αλλά αυτή η εικόνα δεν είναι απλώς λανθασμένη· είναι σχεδόν 40 χρόνια ξεπερασμένη! Είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι δεν υπήρξε καμία ιδιομορφία που να σχετίζεται με τη θερμή Μεγάλη Έκρηξη, και ίσως να μην υπήρξε καν μια γέννηση του χώρου και του χρόνου. Να τι γνωρίζουμε και πώς το γνωρίζουμε.

Όταν παρατηρούμε το Σύμπαν σήμερα, βλέπουμε ότι είναι γεμάτο με γαλαξίες προς όλες τις κατευθύνσεις και σε μια μεγάλη ποικιλία αποστάσεων. Κατά μέσο όρο διαπιστώνουμε επίσης ότι όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς. Αυτό δεν οφείλεται στις πραγματικές κινήσεις των μεμονωμένων γαλαξιών μέσα στον χώρο· οφείλεται στο γεγονός ότι ο ίδιος ο ιστός του χώρου διαστέλλεται.

Αυτή ήταν μια πρόβλεψη που προέκυψε για πρώτη φορά από τη Γενική Σχετικότητα το 1922 από τον Alexander Friedmann, και επιβεβαιώθηκε παρατηρησιακά από το έργο του Edwin Hubble και άλλων τη δεκαετία του 1920. Αυτό σημαίνει ότι, καθώς περνά ο χρόνος, η ύλη μέσα στο Σύμπαν απλώνεται και γίνεται λιγότερο πυκνή, αφού ο όγκος του Σύμπαντος αυξάνεται. Σημαίνει επίσης ότι, αν κοιτάξουμε προς το παρελθόν, το Σύμπαν ήταν πυκνότερο, θερμότερο και πιο ομοιόμορφο.

Αν προεκτείνατε όλο και πιο πίσω στον χρόνο, θα αρχίζατε να παρατηρείτε μερικές σημαντικές αλλαγές στο Σύμπαν. Συγκεκριμένα:

θα φτάνατε σε μια εποχή όπου η βαρύτητα δεν είχε ακόμη αρκετό χρόνο για να συγκεντρώσει την ύλη σε αρκετά μεγάλα συσσωματώματα ώστε να σχηματιστούν άστρα και γαλαξίες,
θα φτάνατε σε μια κατάσταση όπου το Σύμπαν ήταν τόσο θερμό ώστε δεν μπορούσαν να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα,
και στη συνέχεια σε μια εποχή όπου ακόμη και οι ατομικοί πυρήνες διαλύονταν,
όπου ζεύγη ύλης και αντιύλης θα σχηματίζονταν αυθόρμητα,
και όπου μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια θα διαχωρίζονταν σε κουάρκ και γλουόνια.

Κάθε βήμα αντιπροσωπεύει το Σύμπαν όταν ήταν νεότερο, μικρότερο, πυκνότερο και θερμότερο. Τελικά, αν συνεχίζατε να προεκτείνετε προς τα πίσω, θα βλέπατε αυτές τις πυκνότητες και θερμοκρασίες να αυξάνονται σε άπειρες τιμές, καθώς όλη η ύλη και η ενέργεια του Σύμπαντος θα περιέχονταν μέσα σε ένα μοναδικό σημείο: μια ιδιομορφία. Η θερμή Μεγάλη Έκρηξη, όπως αρχικά διατυπώθηκε, δεν ήταν απλώς μια θερμή, πυκνή, διαστελλόμενη κατάσταση, αλλά αντιπροσώπευε μια στιγμή όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν. Ήταν η γέννηση του χώρου και του χρόνου: ένας τρόπος για να εμφανιστεί ολόκληρο το Σύμπαν αυθόρμητα στην ύπαρξη. Ήταν η απόλυτη πράξη δημιουργίας: η ιδιομορφία που συνδέεται με τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ωστόσο, αν αυτό ήταν σωστό και το Σύμπαν είχε φτάσει αυθαίρετα υψηλές θερμοκρασίες στο παρελθόν, θα υπήρχαν αρκετές σαφείς ενδείξεις αυτού που θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε σήμερα. Θα υπήρχαν διακυμάνσεις θερμοκρασίας στη λάμψη που απέμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη με τεράστια πλάτη. Οι διακυμάνσεις που βλέπουμε θα περιορίζονταν από την ταχύτητα του φωτός· θα εμφανίζονταν μόνο σε κλίμακες του κοσμικού ορίζοντα και μικρότερες. Θα υπήρχαν υπολειπόμενα κοσμικά κατάλοιπα υψηλής ενέργειας από παλαιότερες εποχές, όπως μαγνητικά μονόπολα.

Κι όμως, οι διακυμάνσεις θερμοκρασίας είναι μόνο 1 μέρος στις 30.000, χιλιάδες φορές μικρότερες από ό,τι προβλέπει μια ιδιομορφική Μεγάλη Έκρηξη. Διακυμάνσεις πέρα από τον ορίζοντα (super-horizon) είναι πραγματικές και έχουν επιβεβαιωθεί ισχυρά τόσο από το WMAP όσο και από το Planck. Και οι περιορισμοί για τα μαγνητικά μονόπολα και άλλα κατάλοιπα υπερ-υψηλής ενέργειας είναι απίστευτα αυστηροί. Αυτές οι ελλείπουσες υπογραφές έχουν μια τεράστια συνέπεια: το Σύμπαν δεν έφτασε ποτέ σε αυτές τις αυθαίρετα μεγάλες θερμοκρασίες.

Αντί γι’ αυτό, πρέπει να υπήρξε ένα όριο. Δεν μπορούμε να προεκτείνουμε αυθαίρετα προς τα πίσω (https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/09/21/the-big-bang-wasnt-the-beginning-after-all/), σε μια θερμή και πυκνή κατάσταση που φτάνει όποιες ενέργειες μπορούμε να φανταστούμε. Υπάρχει ένα όριο στο πόσο πίσω μπορούμε να πάμε και να συνεχίζουμε να περιγράφουμε έγκυρα το Σύμπαν μας. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 θεωρήθηκε ότι, πριν το Σύμπαν μας γίνει θερμό, πυκνό, διαστελλόμενο, ψυχόμενο και γεμάτο ύλη και ακτινοβολία, βρισκόταν σε μια φάση πληθωρισμού. Μια φάση κοσμικού πληθωρισμού θα σήμαινε ότι το Σύμπαν ήταν:

γεμάτο με ενέργεια εγγενή στον ίδιο τον χώρο,
που προκαλεί μια ταχεία, εκθετική διαστολή,
που τεντώνει το Σύμπαν ώστε να γίνει επίπεδο,
του δίνει τις ίδιες ιδιότητες παντού,
με κβαντικές διακυμάνσεις μικρού πλάτους,
που τεντώνονται σε όλες τις κλίμακες (ακόμη και πέρα από τον ορίζοντα),

και έπειτα ο πληθωρισμός φτάνει στο τέλος του.

Όταν αυτό συμβεί, μετατρέπει εκείνη την ενέργεια, που προηγουμένως ήταν εγγενής στον ίδιο τον χώρο, σε ύλη και ακτινοβολία, πράγμα που οδηγεί στη θερμή Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά δεν οδηγεί σε μια αυθαίρετα θερμή Μεγάλη Έκρηξη· οδηγεί σε μία που έφτασε μια μέγιστη θερμοκρασία η οποία είναι το πολύ εκατοντάδες φορές μικρότερη από την κλίμακα στην οποία θα μπορούσε να εμφανιστεί μια ιδιομορφία. Με άλλα λόγια, οδηγεί σε μια θερμή Μεγάλη Έκρηξη που προκύπτει από μια πληθωριστική κατάσταση, όχι από μια ιδιομορφία.

Οι πληροφορίες που υπάρχουν στο παρατηρήσιμο Σύμπαν μας, στις οποίες μπορούμε να έχουμε πρόσβαση και να μετρήσουμε, αντιστοιχούν μόνο στα τελευταία ~10^-33 δευτερόλεπτα του πληθωρισμού και σε ό,τι ακολούθησε. Αν θέλετε να θέσετε το ερώτημα για το πόσο διήρκεσε ο πληθωρισμός, απλώς δεν έχουμε ιδέα. Διήρκεσε τουλάχιστον λίγο περισσότερο από 10^-33 δευτερόλεπτα, αλλά αν διήρκεσε λίγο περισσότερο, πολύ περισσότερο ή για άπειρο χρόνο, αυτό όχι μόνο είναι άγνωστο, αλλά και αδύνατο να γνωριστεί.

Τι, λοιπόν, συνέβη για να ξεκινήσει ο πληθωρισμός; Υπάρχει τεράστια έρευνα και εικασίες γύρω από αυτό, αλλά κανείς δεν ξέρει. Δεν υπάρχει καμία ένδειξη στην οποία μπορούμε να δείξουμε· καμία παρατήρηση που μπορούμε να κάνουμε· κανένα πείραμα που μπορούμε να εκτελέσουμε. Κάποιοι άνθρωποι (λανθασμένα) λένε κάτι ανάλογο με:

Λοιπόν, είχαμε μια ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης που έδωσε γέννηση στο θερμό, πυκνό, διαστελλόμενο Σύμπαν πριν μάθουμε για τον πληθωρισμό, και ο πληθωρισμός απλώς αντιπροσωπεύει ένα ενδιάμεσο στάδιο. Επομένως, πάει: ιδιομορφία, πληθωρισμός, και μετά η θερμή Μεγάλη Έκρηξη.

Υπάρχουν ακόμη και μερικά πολύ διάσημα γραφικά που κυκλοφόρησαν από κορυφαίους κοσμολόγους που απεικονίζουν αυτή την εικόνα. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι είναι σωστό.

Στην πραγματικότητα, υπάρχουν πολύ καλοί λόγοι να πιστεύουμε ότι αυτό δεν είναι σωστό! Κάτι που μπορούμε μαθηματικά να αποδείξουμε, είναι ότι είναι αδύνατο μια κατάσταση πληθωρισμού να προκύψει από μια ιδιομορφία. Να γιατί: ο χώρος διαστέλλεται με εκθετικό ρυθμό κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Σκεφτείτε πώς λειτουργεί μια εκθετική αύξηση: μετά από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, το Σύμπαν διπλασιάζεται σε μέγεθος. Περιμένετε διπλάσιο χρόνο, και διπλασιάζεται δύο φορές, φτάνοντας στο τετραπλάσιο μέγεθος. Περιμένετε τρεις φορές περισσότερο, και διπλασιάζεται τρεις φορές, φτάνοντας στο οκταπλάσιο μέγεθος. Και αν περιμένετε 10 ή 100 φορές περισσότερο, αυτά τα διπλασιασμένα κάνουν το Σύμπαν 2^10 ή 2^100 φορές μεγαλύτερο.

Αυτό σημαίνει ότι αν πάμε προς τα πίσω στον χρόνο κατά την ίδια ποσότητα, ή δύο φορές, ή τρεις φορές, ή 10 ή 100 φορές, το Σύμπαν θα ήταν μικρότερο, αλλά ποτέ δεν θα έφτανε σε μέγεθος 0. Συγκεκριμένα, θα ήταν το μισό, το ένα τέταρτο, το ένα όγδοο, 2^-10 ή 2^-100 του αρχικού του μεγέθους. Αλλά ανεξαρτήτως πόσο πίσω πάτε, ποτέ δεν επιτυγχάνεται ιδιομορφία.

Υπάρχει ένα θεώρημα, διάσημο μεταξύ των κοσμολόγων (https://arxiv.org/abs/gr-qc/0110012), που δείχνει ότι μια κατάσταση πληθωρισμού είναι «past-timelike-incomplete». Αυτό σημαίνει, ρητά, ότι αν έχετε οποιοδήποτε σωματίδιο που υπάρχει σε ένα πληθωριστικό Σύμπαν, αυτά τελικά θα συναντηθούν αν προεκτείνετε τον χρόνο προς τα πίσω. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι πρέπει να υπήρχε μια ιδιομορφία, αλλά μάλλον ότι ο πληθωρισμός δεν περιγράφει τα πάντα που συνέβησαν στην ιστορία του Σύμπαντος, όπως τη γέννησή του. Ξέρουμε επίσης, για παράδειγμα, ότι ο πληθωρισμός δεν μπορεί να προκύψει από μια ιδιομορφική κατάσταση, επειδή μια περιοχή που πληθωρίζει πρέπει πάντα να ξεκινά από ένα πεπερασμένο μέγεθος.

Κάθε φορά που βλέπετε ένα διάγραμμα, ένα άρθρο ή μια ιστορία που μιλάει για την «ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης» ή οποιαδήποτε μορφή μεγάλης έκρηξης/ιδιομορφίας που υπήρχε πριν τον πληθωρισμό, να ξέρετε ότι αντιμετωπίζετε μια ξεπερασμένη μέθοδο σκέψης. Η ιδέα μιας ιδιομορφίας της Μεγάλης Έκρηξης εξαφανίστηκε αμέσως μόλις συνειδητοποιήσαμε ότι υπήρχε μια διαφορετική κατάσταση — αυτή του κοσμικού πληθωρισμού — που προηγείται και προετοιμάζει την πρώιμη, θερμή και πυκνή κατάσταση της Μεγάλης Έκρηξης. Μπορεί να υπήρξε μια ιδιομορφία στην ίδια την αρχή του χώρου και του χρόνου, με τον πληθωρισμό να προκύπτει μετά από αυτήν, αλλά δεν υπάρχει καμία εγγύηση. Στη επιστήμη, υπάρχουν πράγματα που μπορούμε να ελέγξουμε, να μετρήσουμε, να προβλέψουμε και να επιβεβαιώσουμε ή να αντικρούσουμε, όπως μια κατάσταση πληθωρισμού που οδηγεί σε θερμή Μεγάλη Έκρηξη. Όλα τα υπόλοιπα; Είναι απλώς εικασίες.

Table of Contents

Big Bang el

Τι είναι η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang);

Τι σημαίνει η ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης;

Μια δύσκολη ιδέα να τη φανταστούμε

Παρατηρησιακή επιβεβαίωση

Ένα πολύ θερμό και μικροσκοπικό ξεκίνημα

Πόσο παλιό είναι το σύμπαν;

Γιατί ονομάζεται «Μεγάλη Έκρηξη»;

Πού στο σύμπαν συνέβη η Μεγάλη Έκρηξη;

Ποια γεγονότα διαψεύδουν τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης;

Εναλλακτικές κοσμολογικές θεωρίες

Βασικές παρατηρήσεις που πρέπει να εξηγεί κάθε κοσμολογική θεωρία

Πέρα από τη Μεγάλη Έκρηξη

ΤΑ ΟΡΙΑ ΤΗΣ ΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ

ΑΥΤΑ ΠΟΥ ΠΙΣΤΕΥΟΥΜΕ ΟΤΙ ΓΝΩΡΙΖΟΥΜΕ

ΠΕΡΑ ΑΠΟ ΤΟΝ ΧΩΡΟ ΚΑΙ ΤΟΝ ΧΡΟΝΟ

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ

ΤΕΛΕΙΑ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ

Το Big Bang δεν είναι πια η αρχή του σύμπαντος

Κύρια Σημεία

Παρανόηση του Big Bang

Προϋπάρχων Χώρος;

Προϋπάρχων Χρόνος;

Ατομικά αντικείμενα που κινούνται από ένα κοινό κέντρο;

Αντικείμενα που κινούνται μέσα στο χώρο;

Υπήρχε συγκεκριμένη στιγμή για το Big Bang;

Κάτι ξεκίνησε το Big Bang!

Τα μεγάλα κενά του Big Bang

Η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν τελικά η αρχή

Δεν Υπήρξε Ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης