Μια τροποποιημένη θεωρία της βαρύτητας δεν προβλέπει το Big Bang

Η θεωρία του Big Bang αποτέλεσε τη βάση για να κατανοήσουμε την προέλευση του σύμπαντος, από τότε που προτάθηκε για πρώτη φορά το 1927 από τον Georges Lemaitre. Και έχουμε καλό λόγο γι’ αυτό: η θεωρία υποστηρίζεται από πρόσφατες παρατηρήσεις και πειράματα των επιστημόνων, ενώ βασίζεται στην ευρέως αποδεκτή θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά οι επιστήμονες είναι πάντα σε επιφυλακή για τυχόν ενδείξεις που θα μπορούσαν να προτείνουν μια εναλλακτική λύση για το Big Bang. Η τελευταία τέτοια ένδειξη σε αυτόν τον τομέα της έρευνας προέρχεται από τους αστροφυσικούς Maximo Banados και Pedro Ferreira, οι οποίοι έχουν αναστήσει μια θεωρία της βαρύτητας από τις αρχές του 20ου αιώνα και μάλιστα ανακάλυψαν ότι μια τροποποιημένη εκδοχή της θεωρίας αυτής μπορεί να κρύβει κάποιες εκπλήξεις.

Χρονολογικός πίνακας του σύμπαντος

Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters, οι Banados και Ferreira έχουν αναθεωρήσει τη θεωρία της βαρύτητας που προτείνεται από τον Arthur Eddington, έναν σύγχρονο φυσικό του Αϊνστάιν. Ο Eddington είναι ίσως πιο γνωστός για το ταξίδι του στο νησί Principe στη δυτική ακτή της Αφρικής το 1919, όπου κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης παρατήρησε ότι η βαρύτητα του Ήλιου κάμπτει πράγματι τις φωτεινές ακτίνες των άστρων, δημιουργώντας έτσι μία από τις πρώτες επιβεβαιώσεις της γενικής σχετικότητας.

Παρά το γεγονός ότι ο Eddington έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της Γενικής Σχετικότητας, κατά τη διάρκεια των επόμενων δεκαετιών ενδιαφέρθηκε περισσότερο για την εξεύρεση μιας θεωρίας για την ενοποίηση της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής – μια αποστολή η οποία είναι ακόμη υπό μελέτη και σήμερα. Το 1924, ο Eddington πρότεινε μια νέα «βαρυτική δράση" ως εναλλακτική λύση στη δράση των Einstein-Hilbert, η οποία θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως μια εναλλακτική αφετηρία για τη γενική σχετικότητα. Στην αστροφυσική, μια βαρυτική δράση είναι ο μηχανισμός που περιγράφει τον τρόπο που η βαρύτητα μπορεί να αναδυθεί από τον καμπυλωμένο χωροχρόνο εξ αιτίας της παρουσίας της ύλης και της ενέργειας. Ωστόσο, η θεωρία της βαρύτητας του Eddington δούλευε μόνο για τον κενό χώρο και δεν περιλαμβάνει καμία πηγή ενέργειας, όπως η ύλη, πράγμα που την καθιστά μια ελλιπή θεωρία.

Εξ αιτίας της πρότασης του Eddington, οι επιστήμονες προσπάθησαν με διάφορους τρόπους να συμπεριλάβουν την ύλη στη θεωρία, αν και αυτοί συνάντησαν πολλά προβλήματα. Στη μελέτη αυτή, οι Banados και Ferreira έχουν δοκιμάσει έναν νέο τρόπο για να επεκτείνουν την θεωρία του έτσι ώστε να συμπεριλάβει την ύλη,  χρησιμοποιώντας μια βαρυτική δράση που ονομάζεται δράση Born-Infeld.

Στην ανάλυσή τους, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ένα βασικό χαρακτηριστικό της αναθεωρημένης θεωρίας της βαρύτητας του Eddington, είναι ότι αναπαράγει την βαρύτητα του Αϊνστάιν ακριβώς στις συνθήκες του κενού (χωρίς ύλη), αλλά παράγει νέα αποτελέσματα, όταν προστεθεί ύλη στον χωροχρόνο. Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, η αναθεωρημένο θεωρία έχει επιπτώσεις ειδικά στις περιοχές υψηλής πυκνότητας, όπως είναι το πολύ πρώιμο Σύμπαν ή μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Για παράδειγμα, η θεωρία προβλέπει μια μέγιστη πυκνότητα του ομογενούς και ισότροπου χωροχρόνου, που θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις για τον σχηματισμό της μαύρης τρύπας.

Και το πιο ενδιαφέρον είναι ότι η θεωρία αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια εντελώς νέα άποψη του Κόσμου, που να μην περιλαμβάνει ένα Big Bang. Στη θεωρία του Big Bang, η κατάσταση του Σύμπαντος είναι μια ιδιομορφία (ανωμαλία) στις απαρχές του χρόνους, πράγμα που σημαίνει ότι το Σύμπαν ήταν κάποτε απείρως μικρό.

Ωστόσο, η αναθεωρημένη θεωρία του Eddington απαιτεί ένα ελάχιστο μήκος του χωροχρόνου κατά την πρώιμη περίοδο, πράγμα που σημαίνει ότι το Σύμπαν δεν θα μπορούσε να έχει καμιά ιδιομορφία. Η θεωρία προβλέπει ότι, ανάλογα με την αρχική πυκνότητα του Σύμπαντος, αυτό μπορεί να έχει ‘κοντοσταθεί’ για μεγάλο χρονικό διάστημα σε σχετικά μικρό μέγεθος, προτού διασταλεί αρκετά ώστε να ελεγχθεί με τη βοήθεια της κλασικής κοσμολογικής εξέλιξης.

Μια άλλη δυνατότητα, ανάλογα με τις αρχικές συνθήκες, είναι ότι το Σύμπαν θα μπορούσε να έχει υποστεί μια αναπήδηση (ένα ριμπάουντ), η οποία να προκύπτει από την κατάρρευση ενός προηγούμενου σύμπαντος. Οποιοδήποτε είδος σύμπαντος χωρίς μοναδικότητα (ανωμαλία), θα έλυνε το πρόβλημα της μοναδικότητας που έχει ενοχλήσει τόσο τους επιστήμονες στην γενική σχετικότητα, δεδομένου ότι μια μοναδικότητα που δεν μπορεί να ορίζεται μαθηματικά.

"Λαμβάνοντας ως αφετηρία αυτή την πολύ παλιά ιδέα, καταλήξαμε με μια θεωρία που να έχει μια πολύ ενδιαφέρουσα ιδιότητα: να μην έχουμε ανωμαλίες”, λέει ο Ferreira, καθηγητής Αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. "Ήταν απροσδόκητο και σίγουρα δεν είναι αυτό που ψάχναμε."

Στο μέλλον, οι Banados και Ferreira ελπίζουν να εκτελέσουν μια πιο λεπτομερή ανάλυση της βαρυτικής δράσης Born-Infeld. Ενώ η παρούσα μελέτη εξετάζει μόνο την κλασική συμπεριφορά της θεωρίας, θα μπορούσε επίσης να κρύβεται και μια κβαντική συμπεριφορά, όπως στην έννοια της αναπήδησης. Επιπλέον, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να εξετάσουνε τις πιθανές συνέπειες μιας κοσμολογικής σταθεράς, που δεν είχαν εξετάσει στην παρούσα μελέτη τους. Ωστόσο, σημειώνουν ότι η θεωρία είναι ακόμα στα αρχικά στάδια σχεδιασμού, και έχει πολύ δρόμο να διανύσει προτού μάθουν πόσο ακριβής είναι.

“Οι εναλλακτικές λύσεις στην θεωρία του Αϊνστάιν κρύβουν όλες υποθετικές δυνατότητες", δήλωσε ο Ferreira. "Ο στόχος είναι να προσπαθήσουμε να βρούμε μερικά βασικά παρατηρησιακά τεστ που να μπορούν να κάνουν διάκριση ανάμεσα στη θεωρία του Αϊνστάιν και αυτής στην οποία έχουμε σκοντάψει επάνω." 

http://www.physics4u.gr/blog/?p=2393