Αναζητώντας την αρχή του σύμπαντος

Τι υπήρχε πριν από το Big Bang;Προσπαθήστε να ρωτήσετε έναν κοσμολόγο, και απλά θα σας ξεφορτωθεί λέγοντας σας ότι αυτή είναι μια άσκοπη ερώτηση. Ο Στίβεν Χόκινγκ συνήθως ανταπαντούσε με την ερώτηση: “Τι είναι βόρεια από τον Βόρειο Πόλο;”. Το θέμα έχει ως εξής: το Big Bang ήταν η απόλυτη αρχή. Τότε ξεκίνησαν ο χρόνος και ο χώρος. Πιο πριν… δεν υπάρχει. Αυτό όμως, από ό,τι φαίνεται, δεν είναι καθόλου αληθινό. Ένας τολμηρός φυσικός βρήκε την απάντηση στην ερώτηση που κανείς δεν τολμούσε να ρωτήσει. Και αν έχει δίκιο, το σύμπαν ξεκίνησε αφάνταστα πολύ καιρό πριν από το Big Bang.

Η έρευνα του Γκαμπριέλ Βενετσιάνο του CERN για την… προ-Big Bang εποχή, ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του ’90, όταν αυτός και ο συνάδελφος του, Μαουρίτσιο Γκασπερίνι, τότε στο Πανεπιστήμιο του Τορίνο, ξεκίνησαν να διορθώσουν κάποιες από τις ατέλειες του μοντέλου του Big Bang. Και έχει πολλές! Για παράδειγμα, αν φανταστούμε την επέκταση του σύμπαντος προς τα πίσω, η πυκνότητα και η θερμοκρασία αυξάνονται συνεχώς μέχρις ότου “εκτοξεύονται” στο άπειρο. Το άπειρο σημείο, γνωστό ως μια παραδοξότητα, είναι ένα μεγάλο πρόβλημα για τους φυσικούς. “Η παραδοξότητα μας λέει ότι η περιγραφή μας για το σύμπαν -η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν ή της γενικής σχετικότητας- δεν ισχύει για τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος”, λέει ο Βενετσιάνο. Και αυτό γιατί υπάρχει ένα σημείο, γνωστό ως ο χρόνος Πλανκ -1043 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang- που η βαρύτητα είναι συγκρίσιμη σε δύναμη με τις υπόλοιπες δυνάμεις της φύσης. Εξαιτίας αυτού, για να ασχοληθεί κανείς με τη φυσική της παραδοξότητας, θα πρέπει να σκεφτεί μια κβαντική έκδοση της βαρύτητας -και δεν υπάρχει τέτοια θεωρία.

Χορδές και κβαντική στην υπηρεσία του ονείρου
Οι φυσικοί όμως έχουν κάποιον τρόπο να χρησιμοποιήσουν την κβαντική θεωρία στη βαρύτητα. H περισσότερα υποσχόμενη είναι η θεωρία της χορδής. Σύμφωνα με αυτή, τα θεμελιώδη σωματίδια της φύσης είναι απίστευτα μικρές “χορδές” που δονούνται σε έναδιάστημα εννέα διαστάσεων, όλες εκτός από τρεις εκ των οποίων είναι μικρότερες από ένα άτομο. Ένας από τους θεμελιώδεις τρόπους δόνησης, αποδεικνύεται ότι είναι ένα σωματίδιο χωρίς μάζα που μοιάζει με τον υποθετικό μεταφορέα της δύναμης της βαρύτητας το “κβάντουμ βαρυτικού πεδίου”. Και γι’ αυτό ο Βενετσιάνο αποφάσισε να ανακαλύψει αν η θεωρία της χορδής θα μπορούσε να βοηθήσει το πρόβλημα της παραδοξότητας. Αυτό που ανακάλυψε ο Βενετσιάνο είναι ότι η θεωρία της χορδής μπορεί να εξαφανίσει την παραδοξότητα σε μηδενικό χρόνο. Επειδή οι χορδές έχουν μετρήσιμο μέγεθος, το σύμπαν ακόμη συρρικνώνεται όσο ο χρόνος τρέχει προς τα πίσω, αλλά ποτέ δεν φτάνει στο μηδέν, οπότε και δεν εμφανίζεται η παραδοξότητα. Στο συνηθισμένο μοντέλο του Big Bang η παραδοξότητα δρα σαν ένας πλίνθινος τοίχος. Στην κοσμολογία της θεωρίας της χορδής, δεν υφίσταται τέτοιος τοίχος, και είναι πιθανό να επιχειρήσουμε να πάμε πίσω, στην εποχή πριν από το Big Bang.



Τα υπολείμματα ενός άστρου που εξερράγη,
αποτελούσαν αυτό που σήμερα βλέπουμε ως νεφέλωμα Καρκίνου.
Τα πριν: μία αναγκαιότητα

Η ύπαρξη εποχής πριν από το Big Bang λύνει ακόμη ένα πρόβλημα του σταθερού μοντέλου. Αν φανταστεί κανείς την επέκταση του διαστήματος, μέχρι τις πρώτες του στιγμές, οι οποίες περιγράφονται με αξιοπιστία από τη γενική σχετικότητα, θα ανακαλύψει κάτι πολύ περίεργο για το σύμπαν. Παρά το γεγονός ότι το περιεχόμενο του σημερινού σύμπαντος είχε στριμωχτεί σε ένα μέγεθος μόλις ενός χιλιοστού, η απόσταση που μπορούσε να ταξιδέψει το φως σε t=0 ήταν 1031 φορές πιο μικρή.

Αυτό έχει βαθύτατες επιπλοκές για το πρώιμο σύμπαν. Ο μόνος τρόπος για μια περιοχή του διαστήματος, να “γνωρίζει” τις συνθήκες σε μια άλλη είναι αν υπήρξε χρόνος για την ύπαρξη κάποιου είδους επιρροής ανάμεσα τους. Και η μέγιστη ταχύτητα για οποιαδήποτε επιρροή είναι αυτή του φωτός. Έτσι, το πρώιμο σύμπαν συνίστατο από 1093 περιοχές, οι οποίες ήταν τελείως ξεχωριστές ή “αιτιολογημένα αποσυνδεμένες”.

Το πρόβλημα είναι ότι το σύμπαν του σήμερα είναι ομοιογενές. Και η πυκνότητα της ύλης, καθώς και η θερμοκρασία της ακτινοβολίας που έμεινε από το Big Bang είναι η ίδια παντού. Αντίθετα με ό,τι πιστεύονταν, οι 1093 απομακρυσμένες περιοχές του βρήκαν τρόπο να μάθουν η μια για την άλλη. Στο καθιερωμένο μοντέλο του Big Bang, δεν υπάρχει χρόνος για τις περιοχές αυτές να πάρουν πληροφορίες η μια για την άλλη και να ισορροπήσουν την πυκνότητα και θερμοκρασία, μέσα στο απειροελάχιστο διάστημα μεταξύ της γέννησης του σύμπαντος και του χρόνου Πλανκ. Οι κοσμολόγοι δεν είχαν άλλη επιλογή από το να προσπαθήσουν να διορθώσουν αργότερα τα πράγματα αξιώνοντας την ύπαρξη μιας σύντομης φάσης υπερταχύτατης εξάπλωσης, κατά την οποία “διογκώθηκε” ολόκληρο τοσύμπαν από μια αιτιολογημένα συνδεμένη περιοχή. Η διόγκωση δεν εξηγεί απλά γιατί το σύμπαν είναι ενιαίο. Μας δίνει και έναν μηχανισμό για την μεγέθυνση μικρών κβαντικών διακυμάνσεων σε γιγάντιες συνενώσεις ετερόκλιτων στοιχείων γαλαξιών, που συναντάμε σήμερα στο σύμπαν. H θεωρία, όμως, έχει τα δικά της προβλήματα. Για παράδειγμα, τον υπεύθυνο για την έκρηξη του σύμπαντος μηχανισμό, επινόησαν οι θεωρητικοί από το πουθενά, και για να λειτουργήσει θα πρέπει να επιλεγεί το αρχικό στάδιο του πεδίου με ασυνήθιστη προσοχή.

Όλα αυτά σημαίνουν ότι η ζωή των κοσμολόγων θα ήταν πολύ απλούστερη, αν το Big Bang δεν ήταν η αρχή του σύμπαντος. Θα υπήρχε, τότε, πολύς περισσότερος χρόνος πριν από τον χρόνο Πλάνκ για την εξισορρόπηση των πυκνοτήτων και των θερμοκρασιών των περιοχών, και δεν θα ήταν ανάγκη να διορθωθεί τίποτα με τη διόγκωση.




Πώς θα ήταν μια προ Big Bang εποχή;

Όπως υποστηρίζει ο Βενετσιάνο, στοιχεία της απάντησης στο μέγα ερώτημα “πως θα ήταν η προ Big Bang εποχή;” βρίσκονται στη συμμετρία του σύμπαντος. Οι κοσμολογικές λύσεις στις εξισώσεις γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν κατέχουν μια πολύ απλή συμμετρία. Είναι σταθερές στην αντιστροφή του χρόνου. Με άλλα λόγια, αν πάρει κανείς τη λύση μιας εξίσωσης και αντικαταστήσει το χρόνο με χρόνο μείον, θα πάρει μια άλλη λύση. Αντί λοιπόν να επεκτείνεται από ένα Big Bang, αυτό το χρονικά αντίστροφο σύμπαν μικραίνει σε ένα big crunch (μεγάλη σύνθλιψη). Οι κοσμολογικές λύσεις της θεωρίας της χορδής κατέχουν την ίδια συμμετρία και ακόμη μία: παραμένουν συμμετρικές, αν αντικατασταθεί ο παράγοντας της κλίμακας του σύμπαντος, που καθορίζει το μέγεθος του, με το αντίστροφο του. Εφαρμόζοντας αυτές τις δύο αλλαγές, έχουμε μια πολύ ασυνήθιστη μορφή επέκτασης του σύμπαντος, κατά την οποία η επέκταση επιταχύνεται, αντί να επιβραδύνεται. Με άλλα λόγια πρόκειται για ένα πληθωριστικό σύμπαν. “Για κάθε λύση του Big Bang, φαίνεται να υπάρχει μια λύση κατά την οποία το σύμπαν διογκώνεται από t=- σε t=0, δηλαδή προς το Big Bang”, λέει ο Βενετσιάνο. Επομένως, η θεωρία της χορδής υποδηλώνει ότι το σύμπαν πέρασε από μια φάση επιταχυνόμενης επέκτασης από τ=- σε τ=0. Ακριβώς μετά το t=0 αυτή άλλαξε στην πιο αργή επιβραδυνόμενη επέκταση των παλιών μοντέλων του Big Bang. Τώρα βλέπουμε το Big Bang κάτω από νέο πρίσμα. Ήταν η ώρα της μετάβασης από τη διόγκωση στην επέκταση που βλέπουμε σήμερα γύρω μας. “Στο Big Bang το σύμπαν είχε τη μέγιστη κυρτότητα, τον μέγιστο ρυθμό επέκτασης και τη μέγιστη θερμοκρασία”, λέει ο Βενετσιάνο. “To Big Bang εμφανίζεται, όχι ως η αρχή, αλλά ως σημαντικός σταθμός στην ιστορία του σύμπαντος”.
Ένα από τα τεράστια πλεονεκτήματα της εικόνας των χορδών είναι ότι η προ Big Bang περίοδος αυτόματα θεωρείται πληθωριστική, και υπάρχει πολύς χρόνος για να εξισορροπηθούν η πυκνότητα και η θερμοκρασία του σύμπαντος. Μια περιγραφή, όμως, του πώς εξελίχθηκε το διάστημα σε αυτήν την περίοδο θα δείχνει τη μισή μόλις εικόνα. Για την υπόλοιπη θα πρέπει να γνωρίζουμε τι ήταν αυτό από το οποίο εξελίχθηκε το σύμπαν.
Ο μοντελισμός του σύμπαντος κόσμου

Στα συνήθη μοντέλα του Big Bang, το σύμπαν ξεκίνησε με ειδική μορφή, κατά την οποία η πυκνότητα και η θερμοκρασία ήταν συντονισμένες σε όλες τις ξεχωριστές περιοχές του. Αντιμέτωπο με την ειδική αυτή κατάσταση, το ένστικτο των φυσικών ψάχνει πάντα για την όχι – και – τόσο – ειδική κατάσταση από την οποία αναπτύχθηκε. Το απλούστερο δυνατό σύμπαν, σύμφωνα με τον Βενετσιάνο, είναι άπειρο στην έκταση του, κρύο και “επίπεδο” -της μικρότερης, δηλαδή, δυνατής κυρτότητας. Ο Βενετσιάνο και οι συνεργάτες του, το ονομάζουν “ασυμπτωτική παρελθοντική ασημαντότητα”.

Δεν συμφωνούν όμως όλοι με τη θεωρία αυτή. Όπως λέει ο κοσμολόγος Πωλ Στάινχαρτ. “ο Γκαμπριέλ δεν έλυσε το πρόβλημα των αρχικών συνθηκών -τις έθεσε επιπόλαια σύμφωνα με τους αρχικούς του όρους”. Η αλήθεια είναι ότι η απόλυτη επιπεδότητα δεν ταιριάζει. Ο Βενετσιάνο τονίζει ότι η πιο γενικευμένη λύση στις εξισώσεις χορδών διαχέεται από τυχαίες διακυμάνσεις στην κυρτότητα του διαστήματος. Καθαρά, το σύμπαν δεν παρέμεινε μηδενικό, αλλιώς δεν θα υπήρχε σήμερα. Καθώς περνούσε ο καιρός, υπήρξε η δυνατότητα για τις κλασσικές διακυμάνσεις να δημιουργήσουν περιοχές με μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από συνήθως. Στο σύμπαν του σήμερα, οι διακυμάνσεις αυτές θα μπορούσαν να είναι αρκετές για να γεννήσουν τις μαύρες τρύπες. Εδώ, λοιπόν, βλέπουμε την αληθινή γένεση του σύμπαντος που γνωρίζουμε. Συμφωνά με τον Βενετσιάνο, η λύση της θεωρίας της χορδής, που ισχύει στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, είναι ακριβώς η ίδια με την επιταχυνόμενη επέκταση την οποία προβλέπει η θεωρία της χορδής για την περίοδο πριν από το Big Bang. “To σύμπαν μας είναι ένα μπάλωμα του εσωτερικού μιας μαύρης τρύπας”. Ο Βενετσιάνο και ο Γκασπερίνι απέδειξαν τα τελευταία χρόνια ότι όσο το σύμπαν επεκτείνεται προς το t=0, αυξάνεται η καμπυλότητα του διαστημικού χρόνου, με αποτέλεσμα τη δραματική αύξηση στη θερμοκρασία και την ενεργειακή πυκνότητα. Ένα κλάσμα του δευτερολέπτου έπειτα από την ώρα μηδέν, ένα μέγεθος του ενός χιλιοστού, μια τρισδιάστατη περιοχή μέσα στην απέραντη ανοικτή έκταση, θα μπορούσε να μοιάζει με το υπέρ-πυκνο, υπέρθερμο μπάλωμα στην καθιερωμένη θεωρία της διόγκωσης.



Ο Στίβεν Χόκινγκ, “πατέρας” της θεωρίας του Big Bang.


Σεναριακές λεπτομέρειες

Φυσικά, για να ισχύει ένα τέτοιο σενάριο, θα πρέπει να αποδίδει τα σωματίδια της ύλης που βλέπουμε σήμερα γύρω μας. Σύμφωνα με τον Βενετσιάνο, σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, τα ποζιτρόνια και τα φωτόνια, εμφανίστηκαν έπειτα από διακυμάνσεις στη γεωμετρία του διαστήματος. Εδώ “μπαίνει” η κβαντομηχανική. Όπως τα δυνατά ηλεκτρικά παιδία μπορούν να δημιουργήσουν ζευγάρια ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων, πεδία βαρυτήτων ισχυρής διαφορετικότητας οδηγούν στην παραγωγή κβάντων όλων των ειδών των σωματιδίων. Πέρα από αυτό, τα σωματίδια γεννιούνται με μεγάλες ποσότητες κινητικής ενέργειας και ως αποτέλεσμα το σύμπαν σταδιακά θερμαίνεται. “Σε αυτό μπορεί να αντιπαραβληθεί η συνήθης εικόνα, στην οποία τα σωματίδια παράγονται και θερμαίνονται μετά την διόγκωση”, λέει ο Βενετσιάνο. Αν έχει δίκιο, το σύμπαν θα γεμίζει μια χαώδης θάλασσα κυμάτων βαρύτητας. Τα κύματα θα είναι αδύναμα και η πιθανότητα να τα δούμε με τη σύγχρονη γενιά ανιχνευτών -ή ακόμη με τους αμέσως επόμενους- δεν είναι πολύ μεγάλη. Πάντως, ο Βενετσιάνο υποστηρίζει ότι οι ανιχνευτές τρίτης γενιάς θα μπορέσουν να τα εντοπίσουν.

Αποτελέσματα πριν από το Big Bang πρέπει να είναι ορατά στο κοσμικό υπόβαθρο των μικροκυμάτων. Ο Βενετσιάνο προβλέπει διαφορετικές γωνιακές θέσεις των αιχμών του δυναμικού φάσματος του κοσμικού υπόβαθρου, σε σύγκριση με τις συνηθισμένες θεωρίες.
Το σενάριο αυτό έχει ακόμη προβλήματα. Πολλοί μπορεί να κατηγορήσουν τον Βενετσιάνο ότι απλά μετακίνησε την αρχή του σύμπαντος λίγο πιο πίσω, χωρίς να κάνει τίποτα για να εξηγήσει πώς αυτό δημιουργήθηκε/ Όπως λέει ο ίδιος, “στη θεωρία μου, η αρχή του σύμπαντος είναι κάτι πιο απλό και φυσικό από το Big Bang. Και αυτό πιστεύω είναι μια βελτίωση”.
Πριν από την ώρα μηδέν

Άλλο ένα πρόβλημα είναι το τι γίνεται στην ώρα-μηδέν. Κάπως, το επιταχυνόμενο σύμπαν της προ Big Bang περιόδου πρέπει να αλλάξει σε ένα πιο αργά επεκτεινόμενο σύμπαν. Αυτό ακριβώς το πρόβλημα είναι αυτό που η θεωρία της χορδής καλείται να λύσει. Δεν είναι όμως ακόμη σίγουρο το πώς ακριβώς θα γίνει αυτό. Αν και ο Βενετσιάνο δεν έχει ακόμη όλες τις απαντήσεις, πολλοί κοσμολόγοι πιστεύουν ότι τους έχει εξυπηρετήσει πάρα πολύ. “Υπάρχει μια τάση σκεπτικισμού από τους περισσότερους που ασχολούνται με αυτά”, λέει ο Αντρέας Αλμπρεχτ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια. “Σε άλλους όμως προκαλεί χαρά”. “Οι ιδέες του Γκαμπριέλ είναι πολύ καλές”, συμφωνεί ο Γκόρντον Κέην, του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν. “Δεν είναι άμεσα σαφές ότι είναι σωστές, σίγουρα όμως θα εγείρουν σκέψεις γύρω από το θέμα”. Κάποιοι άλλοι δεν αντέδρασαν τόσο θετικά. Όπως δηλώνει ο Στάινχαρντ “όσο και να εκτιμούμε τον Γκαμπριέλ για την δημιουργικότητα και τη γοητεία του, νομίζω ότι οι περισσότεροι πιστεύουμε ότι βαδίζει σε λάθος δρόμο εδώ και αρκετό καιρό”. Ο κίνδυνος του λάθους δεν φαίνεται να απασχολεί τον Βενετσιάνο, ο οποίος πρόθυμα παραδέχεται ότι αυτό αποτελεί μια πιθανότητα. Όπως λέει, όμως, “γκρεμίσαμε έναν τοίχο”.



http://www.tsene.com