Το μεγαλύτερο σφάλμα του Αϊνστάιν

Αναμφισβήτητα υπήρξε μεγάλος. Και για αυτόν ακριβώς τον λόγο αναγνώρισε ένα σημαντικό επιστημονικό σφάλμα του. Παρ’ όλα αυτά, δεν λείπουν σήμερα, ειδικοί επιστήμονες που πιστεύουν ότι ο Αϊνστάϊν πιθανότατα να είχε δίκιο, ακόμα και όταν έκανε λάθος.

Κοσμολογία είναι η επιστήμη που ασχολείται με την επιστημονική διερεύνηση του παρελθόντος, του παρόντος και του μέλλοντος του Σύμπαντος μέσω της μελέτης της κατανομής της ύλης και της ενέργειάς του στον χώρο και τον χρόνο.

Στην εργασία μας αυτή θα προσπαθήσουμε να προσεγγίσουμε κάποιες κοσμολογικές έννοιες με την μορφή δέκα συγκεκριμένων ερωτήσεων στις οποίες θα δίνονται οι σχετικές επί του παρόντος απαντήσεις.

Το 2005 έχει χαρακτηριστεί ως έτος Φυσικής με τιμώμενο πρόσωπο τον σπουδαίο φυσικό Αλμπερτ Αϊνστάϊν, που με τις θεωρίες του έμελλε να επανακαθορίσει τον τρόπο με τον οποίο συνολικά αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο. Παρ’ όλα αυτά δεν ήταν αλάνθαστος. Για την ακρίβεια το κοσμολογικό του πρότυπο μάλλον ήταν λανθασμένο. Θα επικεντρώσουμε, λοιπόν, στο στατικό σύμπαν του Αϊνστάϊν και στην κοσμολογική σταθερά, η εισαγωγή της οποίας στην Κοσμολογία θεωρήθηκε, από τον ίδιο, ως το μεγαλύτερο σφάλμα της επιστημονικής ζωής του.

Παρ’ όλα αυτά, σήμερα, σύγχρονοι κοσμολόγοι και αστροφυσικοί πιστεύουν ότι ο Αϊνστάϊν πιθανότατα να είχε δίκιο, ακόμα και όταν έκανε λάθος. Οι γαλαξίες τελικά απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο και αυτό ίσως υπονοεί την ύπαρξη μιάς δύναμης απωστικής. Οι θεωρητικοί αποκαλούν αυτή την απωστική δύναμη «σκοτεινή ενέργεια» και είναι ακριβώς η ίδια δύναμη στην οποία πίστευε ο Αϊνστάϊν με την εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς.

1. Τί είναι το στατικό Σύμπαν;

Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ού αιώνα, οι περισσότεροι αστρονόμοι-κοσμολόγοι πίστευαν σε ένα αιώνιο, στατικό και αμετάβλητο Σύμπαν. Αυτή ήταν μια πολύ βολική άποψη, εφ’ όσον, αν το Σύμπαν υπήρχε από πάντα και για πάντα, όμοιο και απαράλλακτο, τότε δεν χρειάζονταν κάν να τεθούν τα πολύ «ενοχλητικά» κοσμολογικά ερωτήματα, όπως:

α) Πότε δημιουργήθηκε το Σύμπαν;

β) Ποιός ή τί το δημιούργησε;

Αυτή ακριβώς ήταν η εποχή στην οποία ανδρώθηκε ο Αϊνστάϊν και, όπως ήταν επόμενο, και ο ίδιος ήταν απόλυτα πεπεισμένος – όπως άλλωστε και η πλειονότητα των επιστημόνων της εποχής – ότι το Σύμπαν υπήρχε από πάντα.

Κάτω από αυτές τις συνθήκες, για να καταλήξει το 1917 ο Αϊνστάϊν στο κοσμολογικό του πρότυπο, έκανε τρεις υποθέσεις, που βρίσκονταν πέρα από τα όρια των αντίστοιχων εξισώσεών του.

α. Σύμφωνα με την πρώτη, το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο σε μεγάλη κλίμακα, δηλαδή το ίδιο παντού κατά μέσο όρο και σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή.

β. Σύμφωνα με την δεύτερη υπόθεση, αυτό το ομογενές και ισότροπο Σύμπαν έχει μια κλειστή χωρική γεωμετρία.

Όσον αφορά την πρώτη υπόθεση, ο ολικός όγκος ενός τρισδιάστατου χώρου με ομοιόμορφη θετική καμπύλη θα έπρεπε να είναι περιορισμένος, αλλά χωρίς να έχει άκρα ή όρια – αυτό για να συμφωνεί με την πρώτη υπόθεση.

γ. Η τρίτη υπόθεση πρόβλεπε ότι το Σύμπαν στην γενικότητά του είναι στατικό, δηλαδή οι μεγάλης κλίμακας ιδιότητές του δεν μεταβάλλονται με τον χρόνο.

Μάλιστα η φιλοσοφική έλξη της ιδέας ότι το Σύμπαν κατά μέσο όρο δεν είναι μόνο ομογενές και ισότροπο στον χώρο, αλλά και σταθερό στον χρόνο ήταν τόσο μεγάλη, ώστε η Σχολή των Βρετανών κοσμολόγων, των διάσημων αστροφυσικών Herman Bondi, fred Hoyle και Thomas Gold να την ονομάσει «τέλεια κοσμολογική αρχή» και να την αναγάγει, την δεκαετία του ’50, στο ύψιστο σημείο τελειοποίησης με το ονομαζόμενο «πρότυπο της σταθερής κατάστασης». Πράγματι, το 1948 οι παραπάνω αστροφυσικοί με ανεξάρτητες εργασίες τους, διατύπωσαν την άποψη ότι το Σύμπαν, εκτός από ισότροπο και ομογενές, πιθανόν να είναι και σταθερής πυκνότητας, δηλαδή αμετάβλητο στον χρόνο. Αυτή ακριβώς είναι η «τέλεια κοσμολογική αρχή», η οποία οδήγησε στην Κοσμολογία της Συνεχούς Δημιουργίας (Steady state theory).

Ως προς την φιλοσοφική τεκμηρίωση της Συνεχούς Δημιουργίας ύλης εκ του μηδενός, ο Sir fred Hoyle αναφέρει: «Εφ’ όσον δεν μας ενοχλεί φιλοσοφικά το ότι η φύση παρανόμησε δημιουργώντας τεράστιες ποσότητες ύλης εκ του μηδενός, σύμφωνα με την Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης την στιγμή t = 0, δεν βλέπω τον λόγο να αντιδράσουμε στην ιδέα ότι η φύση μπορεί να μικροπαρανομεί σε τακτά χρονικά διαστήματα».

2. Γιατί αναφέρθηκε ο Αϊνστάϊν στην κοσμολογική σταθερά ως το μεγαλύτερο σφάλμα της επιστημονικής ζωής του; Και γιατί επέμενε σε ένα στατικό σύμπαν;

Ο Αϊνστάϊν εισάγοντας τις τρεις υποθέσεις του για το κοσμολογικό του πρότυπο, με μεγάλη του απογοήτευση ανακάλυψε ότι οι εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας δεν είχαν λύσεις. Δηλαδή υποστήριζε ότι το Σύμπαν είναι στατικό και ακόμη ότι η στατικότητα αυτή δεν μπορεί να προκύψει ως λύση των εξισώσεων πεδίου:

G_μν = k T_μν,

όπου ο παράγοντας Gμν, καλείται τανυστής Einstein και δίνεται από την σχέση:

G_μν = R_μν – 0,5 g_μν R,

όπου R_μν είναι ο τανυστής Ricci, R = η βαθμωτή καμπυλότητα (scalar curvature) και g_μν ο μετρικός τανυστής (metric tensor) με 16 συνιστώσες g_μν (x, Ξ, z, t) από τις οποίες ορίζεται η απόσταση:

dS= g_μν dx_μ dx_ν.

Επομένως, για να βρεί μια λύση, αναγκάστηκε να εισαγάγει στις εξισώσεις του έναν ακόμη όρο, έναν αυθαίρετο παράγοντα διάφορο του μηδενός, που τον ονόμασε «κοσμολογική σταθερά» λ και έτσι οι εξισώσεις πεδίου πήραν την μορφή:

G_μν + λ g_μν = k T_μν.

Αν κανείς ομιλεί με Νευτώνειους όρους, η βαρύτητα είναι μια ελκτική δύναμη. Η Γή έλκει τα πάντα, ενώ και έξω απ’ αυτήν, στο πλανητικό σύστημα, οι κομήτες, για παράδειγμα, έλκονται από τον Ήλιο.

Το ερώτημα, λοιπόν, που ανακύπτει είναι:

Γιατί η βαρύτητα δεν είχε ήδη προκαλέσει την κατάρρευση αυτής καθ’ εαυτής της ύλης του Σύμπαντος, αφού κάθε ουράνιο σώμα έλκει όλα τα άλλα;

Η βαρύτητα, λοιπόν, φαινόταν ασυμβίβαστη με το στατικό, αιώνιο και αμετάβλητο Σύμπαν του Αϊνστάϊν.

Σημειωτέον ότι και ο Νεύτωνας θεωρούσε ότι κάποτε, σε έναν πεπερασμένο χρόνο, η βαρύτητα θα έπρεπε να προκαλέσει την κατάρρευση του Σύμπαντος. Ως πιστός χριστιανός, όμως, πίστευε ότι το Σύμπαν δεν είχε καταρρεύσει, επειδή ο Θεός διατηρούσε τις κατάλληλες αποστάσεις ανάμεσα στα ουράνια σώματα, μεταβάλλοντας από καιρό σε καιρό τις μεταξύ τους αποστάσεις.

Ο Αϊνστάϊν δεν θέλησε να επικαλεστεί τον Θεό στα κοσμολογικά προβλήματα, οπότε υπέθεσε ότι εκτός από την βαρυτική δύναμη υπήρχε και μια άλλη δύναμη, απωστική, η οποία εξισορροπούσε τα πράγματα. Συνεπώς, η κοσμολογική σταθερά θα μπορούσε να ερμηνευτεί σαν μια απωστική δύναμη άγνωστης προέλευσης, η οποία ισορροπούσε την έλξη της βαρύτητας σε όλη την ύλη του κλειστού Σύμπαντος του Αϊνστάϊν και εμπόδιζε αυτή την ύλη να κινείται!

Φυσικά, δεν υπήρχαν ενδείξεις για την ύπαρξη της απωστικής-απωθητικής αυτής δύναμης, αλλά ο Αϊνστάϊν συμπέρανε ότι αναγκαστικά έπρεπε να υπάρχει, ώστε να ισχύει το στατικό Σύμπαν.

Ωστόσο, η εισαγωγή του όρου αυτού σε μια πιο γενική θεώρηση, σήμαινε ότι το Σύμπαν -εν απουσία μάζας και ενέργειας- δεν θα είχε δομή χωροχρόνου και θα ήταν επίπεδο, δηλαδή δεν θα μπορούσε να ικανοποιεί ακριβώς τις απαιτήσεις της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Ο Αϊνστάϊν δυστυχώς γι’ αυτόν, όταν έμαθε, το 1929, για την ανακάλυψη, από τον Αμερικανό αστροφυσικό Edwin Hubble (1889-1953), της διαστολής του Σύμπαντος, αντιλήφθηκε ότι θα μπορούσε να την είχε προβλέψει, αν είχε μεγαλύτερη πίστη στην αρχική μορφή των εξισώσεών του. Μετάνιωσε, λοιπόν, για την εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς και την χαρακτήρισε ως το μεγαλύτερο σφάλμα της επιστημονικής ζωής του!

Εξάλλου, οι σύγχρονες θεωρητικές εξελίξεις της σωματιδιακής Φυσικής υποδεικνύουν ότι στο αρχικό Σύμπαν η κοσμολογική σταθερά θα μπορούσε να μην έχει μηδενική τιμή και ότι η τιμή αυτή θα μπορούσε επιπλέον να είναι στενά συνδεδεμένη με αυτήν ακριβώς τη νφύση της κατάστασης κενού.

Ωστόσο, ο Αϊνστάϊν επέμενε στο στατικό του Σύμπαν – δηλαδή ότι οι μεγάλης κλίμακας ιδιότητές του δεν αλλάζουν με τον χρόνο – παρά το ότι ο Βέλγος αστροφυσικός abbe Lemaitre (1894-1966) είχε αποδείξει, ήδη από το 1927, ότι η στατική λύση που πρότεινε ο Αϊνστάϊν δεν ήταν ευσταθής και πως η πιο μικρή διαταραχή οδηγούσε σε διαστελλόμενα ή παλλόμενα συμπαντικά μοντέλα. Αυτό σημαίνει ότι παρά την αυθαίρετη εισαγωγή του επιπλέον παράγοντα η στατική λύση δεν επετεύχθη.

Λόγω των όσων αναφέρθηκαν, οι μετά τον Αϊνστάϊν κοσμολόγοι χρησιμοποιούσαν τις εξισώσεις πεδίου δεχόμενοι ότι λ = 0. Τα κοσμολογικά αυτά πρότυπα, όπως του Λεμαίτρ (Lemaitre) και του Ρώσου αστροφυσικού Φρήντμαν (friedmann) εξελίσσονται με τον χρόνο.

3. Η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης

Μολονότι με την προσθήκη της κοσμολογικής σταθεράς, από τον Αϊνστάϊν, τα πάντα φάνηκαν να μπαίνουν στην θέση τους, υπήρξαν κάποιοι κοσμολόγοι που εναντιώνονταν στα συμπεράσματά του.

Αρχικά, μια μικρή ομάδα κοσμολόγων υποστήριξε, την δεκαετία του 1920, ότι το Σύμπαν δεν ήταν στατικό και αιώνιο, αλλά ότι είχε δημιουργηθεί σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο στο παρελθόν.

Το 1927 ο abbé Georges Edouard Lemaitre (1894-1966) έκανε δυο βασικές φυσικές διαπιστώσεις:

α. Οι λύσεις των εξισώσεων πεδίου της Θεωρίας της Σχετικότητας πρόβλεπαν πάντα ως αρχή του Σύμπαντος ένα μαθηματικά ανώμαλο σημείο.

β. Εφ’ όσον η εντροπία του Σύμπαντος αυξάνεται, τότε κατά τις πρώτες περιόδους της ζωής του (R = 0, t = 0) θα έπρεπε να επικρατούσε μια κατάσταση ελάχιστης εντροπίας, όπου η ύλη πρέπει να είχε την μεγαλύτερη δυνατή οργάνωση.

Με βάση τις δυο προηγούμενες διαπιστώσεις ο Lemaitre διατύπωσε ένα μοντέλο του Σύμπαντος, σύμφωνα με το οποίο ολόκληρη η μάζα του την στιγμή R = 0, t = 0, ήταν συγκεντρωμένη σ’ ένα σημείο το οποίο ονόμασε αρχικό άτομο.

Το πρωταρχικό αυτό άτομο εν καιρώ εξερράγη και από την εκτοξευθείσα ύλη γεννήθηκαν οι γαλαξίες και τα αστέρια του σημερινού Σύμπαντος. Αυτή η άποψη ιστορικά πλέον αναφέρεται ως θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory) και δεν απαιτεί την ύπαρξη της εξισορροπητικής απωστικής δύναμης του Αϊνστάϊν.

Όπως παρατηρούμε, κατά μία περίεργη σύμπτωση, ο Lemaitre επανέλαβε τον ορφικό και ινδουϊστικό μύθο της δημιουργίας, δίνοντάς του όμως μια μαθηματική και φυσική τεκμηρίωση.

Το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης αρχικά προκάλεσε τον χλευασμό του επιστημονικού κατεστημένου της εποχής. Μάλιστα, επειδή ο Lemaitre ήταν ιερέας, οι επικριτές αυτής της θεωρίας υποστήριζαν ότι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης ήταν ένας ύπουλος-υπόγειος τρόπος – που είχε ανακαλύψει ο Lemaitre – για να εισαγάγει για άλλη μια φορά τον Θεό στην επιστήμη.

Ωστόσο, η ανακάλυψη, το 1929, του Edwin Hubble (1889-1953), από το Αστεροσκοπείο Μάουντ Ουίλσον στην Ν. Καλιφόρνια, ότι οι γαλαξίες απομακρύνονταν μεταξύ τους σήμαινε ότι στο απώτατο παρελθόν τους είχαν μια κοινή εκκίνηση. Συνεπώς, η ύλη και η ενέργεια του Σύμπαντος ήταν συγκεντρωμένη σ’ ένα σημείο, στο αρχικό κοσμικό αυγό όλων των αρχαίων κοσμογονιών, με άπειρη θεωρητικά θερμοκρασία και πυκνότητα. Οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο σαν να είναι τα υπολείμματα μιάς κοσμικής έκρηξης.

Το παρατηρησιακό αυτό δεδομένο ήταν η αρχική επιβεβαίωση της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, από την οποία μέσω μιάς επίπονης διαδικασίας τουλάχιστον 15 δισεκατομμυρίων ετών προήλθε το Σύμπαν μας. Το Σύμπαν μας, λοιπόν, είχε μια αρχή και ακριβώς εκείνη την στιγμή της Έκρηξης γεννήθηκαν ο χρόνος και ο χώρος. Συνεπώς για εμάς, αλλά και για τους άλλους αστροφυσικούς, όπως θα δούμε και στην συνέχεια, από φιλοσοφική άποψη δεν φαίνεται να έχει ουσιαστικό νόημα το ερώτημα, τί Ξπήρχε πριν!

Το 1931, ο Αϊνστάϊν επισκέφτηκε τον Edwin Hubble στο Αστεροσκοπείο Μάουντ Ουίλσον, όπου και αποκήρυξε την δική του στατική κοσμολογία επικροτώντας το μοντέλο του διαστελλόμενου Σύμπαντος.

Στην συνέχεια, το 1948, ο Gamow, μελετώντας τα χαρακτηριστικά της υπέρπυκνης κατάστασης που επικρατούσε στο Σύμπαν τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης, διαπίστωσε ότι:

α. Κατά τα πρώτα τέσσερα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης, θα πρέπει να δημιουργήθηκε το ήλιον και τα άλλα ελαφρά στοιχεία, και

β. Θα έπρεπε μέχρι και σήμερα να είναι ανιχνεύσιμη μια διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, η οποία θα αποτελούσε απόδειξη της ύπαρξης, στο απώτατο παρελθόν, του υπέρθερμου αρχικού ατόμου.

Αυτό που θα πρέπει να σημειώσουμε είναι ότι το περιγραφόμενο από τον Lemaitre σημειακό αρχικό άτομο, πολύ μεγάλης μάζας και πυκνότητας, ταυτίζεται με μια μαθηματική σημειακή ανωμαλία όμοια με αυτήν που δημιουργείται στο εσωτερικό μιάς μελανής ή λευκής οπής.

Είναι γεγονός ότι πολλές παρατηρήσεις στην σύγχρονη Αστροφυσική είναι συμβατές με το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, το οποίο στηρίζουν εξίσου και σοβαρές πειραματικές αποδείξεις, που αναλυτικά θα αναφερθούν παρακάτω. Συνεπώς, παρά τις όποιες αδυναμίες της η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αποτελεί εν γένει το αναμφισβήτητο πρότυπο της δημιουργίας του Σύμπαντος μέρος του οποίου είμαστε όλοι μας.

4. Πώς άλλαξε την αντίληψή μας για το Σύμπαν η ανακάλυψη του Hubble;

Οι ανακαλύψεις του Εdwin Hubble εγκαινίασαν την εποχή της εξωγαλαξιακής αστρονομίας. Ο Αμερικανός αστρονόμος Hubble ερμήνευσε τα ευρήματα άλλων παρατηρησιακών αστρονόμων για μεγάλες ταχύτητες απομάκρυνσης των γαλαξιών, οι οποίες αντιστοιχούν σε μια γενική διαστολή του Σύμπαντος.

Ο νόμος του Hubble (1929)
u= H_or, H_o=20 km/s ανά  206 έτη φωτός αποτέλεσε το σπουδαιότερο σημείο καμπής της σύγχρονης σκέψης για την προέλευση και την εξέλιξη του Σύμπαντος. Η ανακοίνωση της κοσμολογικής διαστολής ήλθε σε μια εποχή, κατά την οποία οι επιστήμονες είχαν αρχίσει να αντιλαμβάνονται τις θεωρητικές επιπτώσεις των επαναστάσεων που γίνονταν στην Φυσική. Η διαπίστωση του Ηubble ότι οι γαλαξίες απομακρύνονταν μεταξύ τους, όπως ήδη είπαμε, σήμαινε ότι στο απώτατο παρελθόν τους είχαν μια κοινή εκκίνηση και αυτό προβλημάτισε τους επιστήμονες.

Από τον παραπάνω νόμο:

u= H_o r, το αντίστροφο της σταθεράς του Hubble ονομάζεται «χρόνος του Ηubble» και ισούται με:

15 x 109 έτη.

Τα κοσμολογικά μοντέλα του Α. friedman, 1927, πρόβλεπαν τον νόμο του Hubble, πριν αυτός βρεθεί από παρατηρήσεις και διατυπωθεί, δυο χρόνια αργότερα, από τον Αμερικανό αστρονόμο.

Ο abbé Lemaitre ήταν αυτός που βρήκε τα αποτελέσματά του σε μια εποχή που η απομάκρυνση των γαλαξιών αναγνωρίστηκε ως θεμελιώδης κοσμολογική παρατήρηση και ήταν αυτός που αποσαφήνισε την θεωρητική βάση του φαινομένου.

5. Τί ανακάλυψαν οι Penzias, Wilson το 1965 και πώς πάνω σ’ αυτή την ανακάλυψη βασίστηκε η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης;

Το 1965 οι φυσικοί Arno Allan Penzias και Robert Woodrow Wilson, μελετώντας την κατανομή της ακτινοβολίας που φτάνει μέχρι την Γή, σε μήκη κύματος λίγων εκατοστών, ανίχνευσαν μια διάχυτη ακτινοβολία, που έφτανε ομοιόμορφα σε όλα τα σημεία του διαστήματος και αντιστοιχούσε σε εκπεμπόμενη ακτινοβολία μέλανος σώματος θερμοκρασίας 2,7 Κ.

Αξιοπρόσεκτο ήταν ότι η ακτινοβολία αυτή δεν είχε ως αίτιό της καμιά γήινη ή αστρική πηγή και έτσι θεωρήθηκε ότι ήταν ο ραδιοφωνικός απόηχος της Μεγάλης Έκρηξης!

Η ισοτροπία της μετρηθείσας τότε ακτινοβολίας μικροκυμάτων υπήρξε εντυπωσιακή, εφ’ όσον οι διαφορές έντασής της κατά τις διάφορες διευθύνσεις δεν ήταν μεγαλύτερες του 1%.

Γι’ αυτή τους την ανακάλυψη, δηλαδή για την ανίχνευση του ραδιοφωνικού αποήχου της Μεγάλης Έκρηξης, οι δυο επιστήμονες τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel Φυσικής το 1978.

6. Τί πρόβλημα είχε η αρχική Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang) και πώς διορθώθηκε από το πληθωριστικό μοντέλο του Guth;

Η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory), μολονότι αποδεκτή από μεγάλο πλήθος επιστημόνων, ωστόσο δεν είναι τέλεια, αφού δημιουργεί μια σειρά ερωτημάτων στα οποία δεν δίνεται απάντηση. Για παράδειγμα:

(α) Η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει ότι το Σύμπαν που προκύπτει από αυτή πρέπει να είναι μικρό, γεγονός που, όπως παρατηρούμε, δεν ισχύει.

(β) Δεν εξηγεί το γιατί το Σύμπαν πρέπει να είναι ομογενές και ισότροπο (δηλαδή το ίδιο παντού κατά μέσο όρο και σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή).

(γ) Δεν εξηγεί τί υπήρχε πριν από την Μεγάλη Έκρηξη.

(δ) Δεν εξηγεί πώς δημιουργήθηκαν οι συγκεκριμένοι φυσικοί νόμοι και όχι κάποιοι άλλοι. Γιατί δηλαδή ο χώρος περιγράφεται από τρεις διαστάσεις και ο χρόνος από μία;

Προκειμένου να δοθεί απάντηση σε κάποια απ’ αυτά τα ερωτήματα ο Alan Harvey Guth (1947- ), καθηγητής Φυσικής στο Μ.Ι.Τ. πρόσθεσε το 1980, στην θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης την ιδέα ότι στην αρχή της δημιουργίας η διαστολή του Σύμπαντος γινόταν με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν του φωτός! Το «πληθωριστικό Σύμπαν» (1979) προέρχεται από ένα μοναδικό σημείο -πολύ μικρότερο από ένα άτομο- το οποίο διαστέλλεται ταχύτατα για μικρό χρονικό διάστημα, πριν συμβεί η Μεγάλη Έκρηξη.

Μ’ αυτόν τον τρόπο μπόρεσε, τουλάχιστον, να εξηγήσει με το πληθωριστικό μοντέλο του, το για ποιόν λόγο το Σύμπαν έχει τόσο μεγάλες διαστάσεις.

7. Τί είναι το σωματίδιο Higgs και γιατί είναι τόσο σημαντικό;

Κατά την διαστολή του Σύμπαντος, στις συνθήκες των πολύ υψηλών ενεργειών, της τάξεως των 109 δισεκατομμυρίων eV, κυριαρχεί μια ειδική μορφή «ύλης», τα σωματίδια Higgs, γνωστά από τις κβαντικές Θεωρίες Πεδίου.

Ο Andrei Linde (1949- ), Ρώσος επιστήμονας, σήμερα καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, προκειμένου να αντιμετωπίσει τα προηγούμενα ερωτήματα που δεν απαντώνται από την θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory), διατύπωσε την άποψη ότι θα μπορούσε το Σύμπαν να διαστέλλεται χωρίς την προϋπόθεση ότι αυτό ξεκίνησε από ένα συγκεκριμένο και μοναδικό σημείο μεγάλης πυκνότητας και θερμοκρασίας.

Για να δικαιολογήσει, όμως, την δημιουργία της διαστολής στηρίχτηκε στην ιδέα της ύπαρξης στο αρχικό, νεαρό Σύμπαν, δυο γνωστών βαθμωτών πεδίων: α) του πεδίου Higgs και β) του πληθωρισμού (inflation).

Αυτά τα βαθμωτά όμως πεδία, όπως αποδεικνύει η κβαντομηχανική, υφίστανται απρόβλεπτες διακυμάνσεις και μεταβολές. Ούτως ή άλλως, η θεωρία του Linde αποτελεί μια επεξεργασία της πληθωρισμικής θεωρίας του Alan Guth, που πρόβλεπε την ύπαρξη ενός Σύμπαντος πολλών συμπαντικών φυσαλίδων στον χωρόχρονο, που διέπονται ίσως και από διαφορετικούς φυσικούς νόμους.

8. Πώς από το μηδέν γεννήθηκε το Σύμπαν; (Τί είδους μηδέν είναι αυτό;)

Η έννοια του μηδενός αποτέλεσε και αποτελεί τον θεμελιώδη παράγοντα της γέννησης νέων μαθηματικών ιδεών και εφαρμογών.

Ουσιαστικά, λέγοντας κοσμολογικό μηδέν εννοούμε ότι μπορεί να περιγράφει έναν χώρο με ακραία όρια τιμών του τα μέλη του ζεύγους (0+, 0-).

Σ’ αυτή την περίπτωση μιλάμε για ένα μαθηματικό απειροσύνολο που μπορεί φιλοσοφικά να ταυτιστεί με τον χώρο Αϊνστάϊν-Ρόζεν, ο οποίος ενώνει το Σύμπαν μας, σύμφωνα με κάποιες θεωρητικές απόψεις, με ένα αόρατο παράλληλο και μή αισθητό από εμάς Σύμπαν.

9. Τί σημαίνει ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο;

Στις εξισώσεις που περιγράφουν το Σύμπαν, όπως απέδειξε ο Βέλγος αστροφυσικός abbé Lemaitre, εισέρχεται ένας παράγοντας που συμβολίζεται με (ε). Αυτός ο όρος καλείται παράγοντας καμπυλότητας και υποδηλώνει το είδος της γεωμετρίας του Σύμπαντος έτσι:

α) Ένας Ευκλείδειος χώρος έχει καμπυλότητα ε = 0 και το Σύμπαν τότε καλείται επίπεδο.

β) Ένας χώρος Lobatschewsky έχει σταθερή αρνητική καμπυλότητα και το Σύμπαν τότε (για ε = -1) είναι υπερβολικό (μή Ευκλείδειο).

γ) Ένας χώρος Riemann παρουσιάζει θετική καμπυλότητα (ε>0) και το Σύμπαν είναι σφαιρικό (μή Ευκλείδειο).

Ούτως ή άλλως, είναι ενδιαφέρον να τονιστεί ότι σύμφωνα με την Θεωρία της Σχετικότητας η καμπύλωση του χώρου και η διαμόρφωσή του σε χώρο Lobatschewsky ή Riemann εξαρτάται από την πυκνότητα και την ποσότητα της ύλης που σχηματοποιείται στα πλαίσιά του.

Για διαφορετικές τιμές του παράγοντα καμπυλότητας (ε) το Σύμπαν αναφέρεται ως επίπεδο (ε=0), σφαιρικό (ε>0) ή υπερβολικό (ε<0). Όπως γίνεται αντιληπτό, για (ε>0) ή (ε<0), οι χώροι δεν είναι Ευκλείδειοι, ούτε τα αντίστοιχα σχήματα, οσωνδήποτε διαστάσεων, είναι αισθητά από εμάς.

10. Τελικά ήταν η κοσμολογική σταθερά το μεγαλύτερο σφάλμα της επιστημονικής ζωής του Αϊνστάϊν;

Σήμερα, υπάρχει μια μικρή αλλαγή τροπής σ’ αυτή την ιστορία. Οι κοσμολόγοι συνειδητοποιούν ότι πιθανότατα ο Αϊνστάϊν να είχε δίκιο.

Θεωρούν ότι αν η βαρύτητα έλκει τα πάντα, τότε η διαστολή του Σύμπαντος θα πρέπει κανονικά να επιβραδύνεται και αυτό επειδή όλοι οι γαλαξίες θα πρέπει να έλκουν ο ένας τον άλλο.

Όταν, λοιπόν, οι αστρονόμοι προσπάθησαν, το 1998, να μετρήσουν αυτόν τον ρυθμό επιβράδυνσης, με έκπληξη ανακάλυψαν ότι στην πραγματικότητα ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος επιταχύνεται! Τελικά, οι μακρινοί γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο όλο και πιο γρήγορα καθώς περνάει ο καιρός.

Τί συμβαίνει, λοιπόν; Ποιά είναι σήμερα η δυνατή εξήγηση που μπορούν να δώσουν οι κοσμολόγοι; Μα η ύπαρξη μιάς απωστικής δύναμης! Οι κοσμολόγοι ονομάζουν αυτή την απωστική δύναμη «σκοτεινή ενέργεια» και είναι αυτή καθ’ εαυτή η δύναμη που υπέθεσε ο Αϊνστάϊν. Φαίνεται, λοιπόν, ότι ο Αϊνστάϊν, ακόμα και μέσα από το λάθος του σήμερα δικαιώνεται.

11. Ανθρωπική ή Ανθρωπιστική Αρχή

Η Ανθρωπική Αρχή πρεσβεύει σε γενικές γραμμές ότι οι περισσότερες, αν όχι όλες, από τις θεμελιώδεις ιδιότητες του Σύμπαντος είναι αποτέλεσμα ή καθορίζονται από το γεγονός ύπαρξης ζωής.

Είναι γεγονός ότι οι σύγχρονες κοσμολογικές απόψεις έχουν εκτοπίσει τον άνθρωπο περιορίζοντάς τον σε απλό παρατηρητή. Φιλοσοφικά, μόνον η Ανθρωπική Αρχή, που προσπαθεί να εξηγήσει και να ερμηνεύσει τα δεδομένα του Σύμπαντος με βάση την ανθρώπινη ύπαρξή μας, μπορεί να δώσει απαντήσεις στις φιλοσοφικές αναζητήσεις μας. Ακόμα και στην σύγχρονη εποχή πολλά είναι τα γιατί και πιο πολλά τα άλυτα ερωτήματά μας.

Ουσιαστικά, δεν ξέρουμε αν το Σύμπαν έχει αρχή και αν θα υπάρχει για πάντα. Συνεπώς, δεν γνωρίζουμε ούτε την ηλικία, ούτε την σύσταση, ούτε το πεπρωμένο και το μέλλον του. Δεν ξέρουμε ακόμη αν αστέρια σαν τον Ήλιο μας ή διαφορετικά απ’ αυτόν έχουν πλανητικά συστήματα παρόμοια με το δικό μας, ούτε αν φιλοξενούν κάποια μορφή ζωής επάνω τους. Φαίνεται ότι ακόμη δεν έχουμε την δυνατότητα να ανακαλύψουμε αλλού την ζωή και τους πλανήτες που πιθανώς θα την φιλοξενούν.

Είναι γεγονός ότι δεν αντιλαμβανόμαστε παρά μόνον σε περιορισμένη κλίμακα τους τρισδιάστατους χώρους και τις τετραδιάστατες μή Ευκλείδειες γεωμετρίες του χώρου και του χρόνου. Συγχρόνως δεν γνωρίζουμε αν ο χρόνος είναι συνεχής ή ασυνεχής και παράλληλα αν ο χώρος και ο χρόνος είναι αυθύπαρκτες οντότητες, μορφές ή παραστάσεις της ύλης. Βέβαια, οι σύγχρονες αντιλήψεις στην κβαντική Φυσική μπορούν να αλλάξουν πολλά στην λεγόμενη Αστροφυσική των Ξψηλών ενεργειών, να μετασχηματίσουν ίσως την θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης και να δώσουν τελική απάντηση στο πρόβλημα της διαστολής του Σύμπαντος.

Τα ερωτήματα όμως συνεχίζονται, αφού δεν ξέρουμε ακόμη αν η αντιύλη προέρχεται από άλλους γαλαξίες.

Έτσι εκ των πραγμάτων η Κοσμολογία περιέκλειε το μυθολογικό Ξπόβαθρο των πολιτισμών, ενώ αργότερα εθεωρείτο ο κατ’ εξοχήν τομέας της Αστροφυσικής, όπου μπορούσαν να ανθίσουν οι φιλοσοφικές αναζητήσεις των ερευνητών.

Πραγματικά, στην αρχή η Κοσμολογία περιοριζόταν στον χώρο του μύθου και των φιλοσοφικών στοχασμών. Παρά το μυθολογικό-κοσμογονικό Ξπόβαθρό της σήμερα πλέον η Κοσμολογία είναι ένα μεγάλο και ζωντανό τμήμα της σύγχρονης Αστροφυσικής, αφού:

α. Διαθέτει αποδεικτικό μαθηματικό λόγο.

β. Ενσωματώνει, συσχετίζει και αλληλεπιδρά έντονα με άλλους σύγχρονους κλάδους της Φυσικής, όπως η Φυσική Ξψηλών ενεργειών και η Πυρηνική Φυσική.

γ. Έχει αποκτήσει παρατηρησιακή βάση, μετά τις παρατηρήσεις του Ε. Hubble (1929), για την μετατόπιση προς το ερυθρό των γαλαξιών και την συνακόλουθη διαστολή του Σύμπαντος, αλλά και μετά την ανακάλυψη της ακτινοβολίας Ξποβάθρου, από τους Penzias και Wilson (1965).

Ο αλληλοσυσχετισμός της με την Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων τοποθετεί την Κοσμολογία στην πρωτοπορία της Φυσικής και την προάγει σε τομέα αιχμής.

Συνεπώς, οι διαλέξεις των σύγχρονων κοσμολόγων έχουν μεγάλο ενδιαφέρον, αφού αυτός ο αλληλοσυσχετισμός μπορεί να αποφέρει απαντήσεις για πολλά θεμελιώδη ερωτήματα της σύγχρονης Αστροφυσικής.

Βιβλιογραφία

1. Δανέζης Μάνος και Θεοδοσίου Στράτος, Το Σύμπαν που αγάπησα-Εισαγωγή στην Αστροφυσική. Εκδόσεις Δίαυλος, Αθήνα 1999.

2. Δανέζης Μάνος και Θεοδοσίου Στράτος, Η Κοσμολογία της Νόησης-Εισαγωγή στην Κοσμολογία. Εκδόσεις Δίαυλος, Αθήνα 2003.

 Ευχαριστούμε θερμά τον Ειδικό Λογαριασμό Κονδυλίων Έρευνας του Πανεπιστημίου Αθηνών για την ολόπλευρη και καθοριστική βοήθειά του στην έρευνά μας.

Παρατήρηση: Το παρόν άρθρο δημοσιεύθηκε στο τεύχος Νο 19 του περιοδικού «ΠΕΜΠΤΟΥΣΙΑ» (Δεκέμβριος 2005 – Μάρτιος 2006)

 

πηγή: Πεμπτουσία