"Το πορτρέτο του νεογέννητου Σύμπαντος συνδέει τη Γενική Σχετικότητα με την Κβαντομηχανική"

Άρθρο του Διονύση Π. Σιμόπουλου, Διευθυντή του Ευγενιδείου Πλανηταρίου. 

Στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας το 1915 ο Αϊνστάιν περιέγραψε τη βαρύτητα ως τη παραμόρφωση που προκαλεί η παρουσία της ύλης στην δομή του τετραδιάστατου χωροχρόνου.

Οποιοδήποτε μικρό ή μεγάλο κομμάτι ύλης, είτε άτομο είναι αυτό, είτε πλανήτης, είτε άστρο, είτε γαλαξίας, μπορεί και παραμορφώνει την δομή του χωρόχρονου. Καθώς τα διάφορα αντικείμενα κινούνται μέσα στο Σύμπαν είναι σαν να κυλάνε μέσα, έξω, και γύρω απ' αυτές τις χωροχρονικές παραμορφώσεις, και η κίνηση τους επηρεάζεται από τις παραμορφώσεις αυτές που δεν μπορούμε να δούμε. Αντίθετα, εκείνο το οποίο βλέπουμε είναι το αποτέλεσμα που έχει στα διάφορα αυτά αντικείμενα η επίδραση της φαινομενικά μυστηριώδους δύναμης που ονομάζουμε βαρύτητα, με άλλα λόγια «η ύλη λέει στο χωροχρόνο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωρόχρονου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί».

Στη Γενική Σχετικότητα, λοιπόν, η μετακίνηση αντικειμένων με τεράστιες μάζες εκπέμπουν βαρυτική ακτινοβολία με την μορφή βαρυτικών κυμάτων. Επειδή όμως η Βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων είναι εξ ίσου αδύναμη οπότε μέχρι τώρα δεν είχε επιτευχθεί ο εντοπισμός τους. Στις 17 Μαρτίου, όμως, μία ερευνητική ομάδα του Κέντρου Αστροφυσικής Σμιθσόνιαν του Χάρβαρντ, με επικεφαλής τον John Kovac, ανακοίνωσε τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων, που καταγράφηκαν με την μορφή ρυτιδώσεων στο χωροχρόνο, και τα οποία προέρχονται από τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια. Το πρώιμο αυτό πορτρέτο του νεογέννητου Σύμπαντος αποδεικνύει επίσης την ύπαρξη μιας περιόδου εξαιρετικά γρήγορης διαστολής του Σύμπαντος στον χρόνο 10-35 που στη θεωρία ονομάστηκε «Πληθωρισμός», ενώ φαίνεται ότι συνδέει επίσης και την Γενική Σχετικότητα με την Κβαντική Μηχανική!

Παρόλο που τα βαρυτικά κύματα δεν είχαν ανιχνευτεί μέχρι τώρα υπήρχαν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξή τους σε σχέση με την ανακάλυψη το 1974 ενός συστήματος δύο πάλσαρ από τους αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor, οι οποίοι για την ανακάλυψή τους αυτή τιμήθηκαν το 1993 με το Νόμπελ Φυσικής. Ως γνωστόν τα πάλσαρ είναι ταχύτατα περιστρεφόμενα άστρα νετρονίων με πανίσχυρα μαγνητικά πεδία, τα οποία εκπέμπουν ακτινοβολίες όπως ένας φάρος. Αυτό το αστρικό σύστημα των Hulse-Taylor, βοήθησε στον έλεγχο ορισμένων προβλέψεων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, γιατί καθώς τα δύο άστρα νετρονίων στροβιλίζονται όλο και πλησιέστερα το ένα με το άλλο, υπολογίζεται ότι τελικά θα συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια αφού σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα όταν ένα τέτοιο διπλό αστρικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα η περίοδός της τροχιάς του μειώνεται. Αν και οι μεταβολές αυτές είναι ελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα, γεγονός που αποτελεί μια έμεση έστω ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα που προέβλεψε ο Αϊνστάιν υπάρχουν. 

Διάφορες ερευνητικές ομάδες είχαν αρχίσει παρόμοιες επίγειες και διαστημικές έρευνες για τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων εδώ και αρκετά χρόνια. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται τρεις που βρίσκονται στο Νότιο Πόλο, τρεις άλλες που βρίσκονται στη Χιλή, μία στα Κανάρια Νησιά, δύο χρησιμοποιούν μπαλόνια για τις έρευνές τους και μία χρησιμοποιεί την διαστημοσυσκευή «Πλανκ». Η μία από τις τρεις ομάδες του Νότιου Πόλου ήταν αυτή που κατόρθωσε, ύστερα από παρατηρήσεις εννέα ετών, να καταγράψει επί τέλους, με την βοήθεια ενός τηλεσκοπίου παρατήρησης μικροκυμάτων, τις αρχέγονες εκείνες ρυτιδώσεις των πρώτων βαρυτικών κυμάτων. Η ερευνητική αυτή ομάδα ανήκει στο Κέντρο Αστροφυσικής Σμιθσόνιαν του Χάρβαρντ, ενώ τα βαρυτικά κύματα που εντόπισε προέρχονται από τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια. Το πρώιμο αυτό πορτρέτο του νεογέννητου Σύμπαντος αποδεικνύει, εκτός από την εμφανή απόδειξη της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων, και την ύπαρξη μιας περιόδου εκθετικής διαστολής του Σύμπαντος στον χρόνο 10-35 του πρώτου δευτερολέπτου όπως προβλέπουν από το 1980 διάφορες θεωρίες.

Όλα αυτά σημαίνουν ότι το Σύμπαν την απειροελάχιστη εκείνη στιγμή του ενός τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του πρώτου δευτερολέπτου υπέστη πάνω από 100 διπλασιασμούς! Γι’ αυτό άλλωστε και η εξαιρετικά γρήγορη αυτή διαστολή του Σύμπαντος ονομάστηκε «Πληθωρισμός» στη διάρκεια του οποίου το Σύμπαν μεγεθύνθηκε 100 τρισεκατομμύρια-τρισεκατομμυρίων-τρισεκατομμύρια-τρισεκατομμυρίων (1050) φορές! Κι ενώ πριν από την πληθωριστική διαστολή το ορατό σήμερα Σύμπαν είχε μέγεθος 3Χ10-25 εκατοστά (το γινόμενο της ηλικίας του επί την ταχύτητα του φωτός), μετά τον πληθωρισμό το μέγεθός του ήταν συγκριτικά τεράστιο. Εμφανώς λοιπόν η διαστολή αυτή έγινε με μία ταχύτητα πολλαπλάσια της ταχύτητας του φωτός γιατί απλούστατα η τεράστια αυτή διαστολή αφορούσε τον χώρο και όχι κάτι το υλικό. Και ενώ τίποτα το υλικό δεν μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός εντούτοις αυτό δεν ευσταθεί στην περίπτωση του χώρου ο οποίος μπορεί να διασταλεί (να «ξεχειλώσει» δηλαδή) με απεριόριστη ταχύτητα.

Σύμφωνα δηλαδή με τις σύγχρονες μελέτες της φυσικής η ύπαρξη καταστάσεων ιδιαίτερα μεγάλης πυκνότητας (όπως ήταν οι πρώτες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος) μπορεί να οδηγήσει σε μια κατάσταση της ύλης που την αναγκάζει από ελκτική να γίνει απωθητική δημιουργώντας έτσι μια κατάσταση «αντιβαρύτητας». Σ’ αυτήν την κατάσταση, η ενεργειακή πυκνότητα παρέμεινε σταθερή αλλά ο άδειος χώρος απέκτησε μια «παράξενη» απωθητική δύναμη, μία τεράστια «πίεση», που εκτίναξε το Σύμπαν με τέτοια ορμή ώστε μέσα σε μια στιγμή ο όγκος του μεγεθύνθηκε κατά τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων φορές. Στον χρόνο 10-32 του πρώτου δευτερολέπτου, όμως, η πληθωριστική διαστολή για κάποιον λόγο σταμάτησε απελευθερώνοντας συγχρόνως τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Έτσι με την απελευθέρωση της τεράστιας εκείνης ενέργειας δημιουργήθηκε μια τεράστια ποσότητα ύλης. Η αρχική δηλαδή ενέργεια η οποία ισοδυναμούσε με ένα κιλό ύλης έφτασε μετά τον Πληθωρισμό την συνολική μάζα των 1078 βαρυονίων. Δημιουργήθηκαν δηλαδή υλικά 1050 τόνων! Και τα σωματίδια που δημιουργήθηκαν τότε είναι αυτά που με την σειρά τους δημιούργησαν όλα όσα βλέπουμε να περιλαμβάνει σήμερα το Σύμπαν: γαλαξίες, άστρα, πλανήτες και ανθρώπους.

Το μοντέλο της «Πληθωριστικής Εξέλιξης» του Σύμπαντος φαίνεται ότι επιβεβαιώνεται από την ανάλυση των παρατηρήσεων που μας έστειλε το 2006 η διαστημοσυσκευή WMAP, αλλά βασίζεται επίσης και στις σύγχρονες μελέτες της φυσικής των σωματιδίων. Η θεωρία του Πληθωρισμού, πάντως, η οποία διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον Άλαν Γκουθ το 1980, έχει σήμερα πολλές και διάφορες εκφράσεις (νέος πληθωρισμός, ανοιχτός πληθωρισμός, χαοτικός πληθωρισμός, κλπ.) που διατυπώθηκαν κατά καιρούς από διάφορους ερευνητές (Αντρέϊ Λίντε, Αντρέας Άλμπρεχτ, Πωλ Στάϊνχαρντ, Ρίτσαρντ Γκοτ, Λι-ξιν Λι, κ.ά.). Σύμφωνα, λοιπόν, με ορισμένες εκτιμήσεις η Πληθωριστική διαστολή του Σύμπαντος ίσως να μην έγινε παντού με τον ίδιο τρόπο. Αυτό που υποστηρίζει δηλαδή ένα από τα μοντέλα του Πληθωριστικού Σύμπαντος είναι ότι εκείνη την απόμακρη εποχή, το Σύμπαν αποτελούνταν από 1078 έως 10150 περιοχές που δεν σχετίζονταν μεταξύ τους και κάθε μία από τις οποίες είχε μέγεθος 10-27 του εκατοστού!

Απ’ όλες, όμως, αυτές τις τρισεκατομμύρια των τρισεκατομμυρίων περιοχές που αποτελούσαν το Σύμπαν την πρώτη εκείνη απειροελάχιστη στιγμή, μία μόνο μας ενδιαφέρει άμεσα: αυτή η οποία με την Πληθωριστική της διαστολή δημιούργησε το ορατό σ’ εμάς σημερινό Σύμπαν. Έτσι το σύγχρονο αυτό μοντέλο της εξέλιξης του Σύμπαντος μας λέει ότι αυτή τη στιγμή ίσως να υπάρχουν από 1078 έως 10150 παράλληλα με το δικό μας Σύμπαντα τα όποια είναι αδύνατον να παρατηρηθούν πλέον από εμάς ή να τα επηρεάσουμε ή και να μας επηρεάσουν καθ’ οιονδήποτε τρόπο. Οπότε είμαστε αναγκασμένοι στο εξής να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη του μοναδικού ορατού σ’ εμάς Σύμπαντος που προήλθε από την Μεγάλη Έκρηξη.

Είναι επόμενο ότι η Μεγάλη Έκρηξη των κοσμολόγων δεν έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από εμάς, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Ο όρος μάλιστα Μεγάλη Έκρηξη είναι μάλλον παραπλανητικός και καθιερώθηκε από τον καθηγητή Φρεντ Χόυλ  που ήταν ο κύριος πολέμιος της όλης αυτής θεωρίας για τη γέννηση του Σύμπαντος. Με τον όρο, λοιπόν, «Μεγάλη Έκρηξη» οι σύγχρονοι επιστήμονες εννοούν μια εκθετική και απότομη διαστολή του Σύμπαντος από ένα απειροελάχιστο σημείο «ανυπαρξίας». Η γέννηση δηλαδή και η μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι κατά κάποιον τρόπο το «ξεδίπλωμα» του χρόνου και του χώρου από μια κατάσταση υπερβολικής πυκνότητας και θερμότητας σε μια παγωμένη και τεράστια σε μέγεθος σημερινή ύπαρξη, σε έναν χώρο ο οποίος δημιουργείται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. Σ’ ένα Σύμπαν όπου σήμερα όλοι οι μακρινοί γαλαξίες φαίνονται να απομακρύνονται συνεχώς ο ένας από τον άλλο.

Οι γαλαξίες φυσικά δεν απομακρύνονται μέσα σ’ ένα άπειρο και αδειανό χώρο, αλλά αντίθετα η διαστολή αυτή του Σύμπαντος οφείλεται στο «ξεχείλωμα» του ίδιου αυτού χώρου που συμπαρασύρει μαζί του και τους γαλαξίες, ενώ η «έκρηξη» έγινε συγχρόνως σ’ όλα τα σημεία του με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σήμερα κάποιο συγκεκριμένο κέντρο στο Σύμπαν αφού το κέντρο βρίσκεται «παντού». Το τι σημαίνει αυτό είναι ότι δεν είναι οι γαλαξίες αυτοί που κινούνται αλλά είναι ο μεταξύ τους χώρος που μεγαλώνει, που «ξεχειλώνει». Και ενώ τίποτα το υλικό δεν μπορεί να τρέξει με μεγαλύτερη ταχύτητα από την ταχύτητα του φωτός, αυτό δεν ευσταθεί για τον χώρο ο οποίος μπορεί να διαστέλλεται πολύ ταχύτερα και από την ταχύτητα ακόμη του φωτός. Μ’ αυτήν λοιπόν την έννοια η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν παρά μια «έκρηξη» αυτού τούτου του χώρου, μια τεραστίων δηλαδή διαστάσεων διαστολή του ή «ξεχείλωμά» του.

Ευθύς εξ αρχής διάφοροι ερευνητές, με προεξάρχοντα τον Τζωρτζ Γκάμωφ και τους συνεργάτες του στη δεκαετία του 1940, υπολόγισαν ότι, αν πράγματι το Σύμπαν  γεννήθηκε από μια τέτοια «μεγάλη έκρηξη», τότε θα πρέπει σήμερα να υπάρχει ένα κατάλοιπο εκείνης της «έκρηξης», μια ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου. Κατόρθωσαν, μάλιστα, να υπολογίσουν και τη θερμοκρασία της ακτινοβολίας αυτής στους περίπου πέντε βαθμούς Kelvin, πέντε βαθμοί, δηλαδή, πάνω από το απόλυτο μηδέν. Και πράγματι, το 1964-1965 δυο ερευνητές, οι Πενζίας και Ουίλσον, που έψαχναν άσχετα πράγματα, εντόπισαν αυτή την ακτινοβολία, με αποτέλεσμα να πάρουν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής μερικά χρόνια αργότερα. Το 1992 μία διαστημοσυσκευή ονόματι COBE, με μία χιλιάδα ερευνητών κατέγραψε το πρώτο πορτρέτο του Σύμπαντος όπως ήταν 380.000 χρόνια μετά τη γέννησή του. Τότε δηλαδή που μπορούσε η ακτινοβολία να καταγραφεί. Δεν μπορούσαν, φυσικά, να πάρουν όλοι εκείνοι οι ερευνητές το βραβείο Νόμπελ, κι έτσι το πήραν μόνο οι δύο αρχηγοί αυτής της ομάδας ο Τζωρζ Σμουτ και ο Τζων Μάδερ.
Ακόμη πιο πρόσφατα, πάντως, το 2003, μια άλλη διαστημοσυσκευή, η WMAP, μας αποκάλυψε ένα πιο λεπτομερές πορτρέτο αυτής της ακτινοβολίας, Ενώ από το 2009, μια καινούργια διαστημοσυσκευή, Ευρωπαϊκή αυτή την φορά, ονόματι Πλανκ, τοποθετήθηκε στο Διάστημα κι έτσι το πορτρέτο του νεογέννητου Σύμπαντος που διαθέτουμε σήμερα είναι ακόμη πιο λεπτομερές. Μας υπέδειξε επίσης ότι το Σύμπαν έχει ηλικία 13,82 δισεκατομμυρίων ετών, ενώ εντοπίστηκε επίσης και ο χρόνος της δημιουργίας των πρώτων άστρων που υπολογίζεται πλέον ότι γεννήθηκαν 200 μόλις εκατομμύρια χρόνια μετά την γέννηση του Σύμπαντος, 500 δηλαδή εκατομμύρια χρόνια νωρίτερα απ’ ότι νομίζαμε μέχρι πρόσφατα!

Κι ενώ όλα αυτά συμβαίνουν στο μεγάκοσμο σύμφωνα με την Γενική Σχετικότητα, τα τελευταία 80 χρόνια η Κβαντομηχανική, σε όλα μας τα πειράματα, έχει αποδείξει με επιτυχία την πραγματικότητα των παράξενων συνθηκών που επικρατούν στον μικρόκοσμο των υποατομικών σωματιδίων. Παρ’ όλα αυτά κανείς, όσο ειδήμων κι αν είναι, δεν υποστηρίζει ότι βαθιά μέσα στο μυαλό του μπορεί να κατανοήσει πλήρως όσα συμβαίνουν εκεί, ούτε να προβλέψει το αποτέλεσμα ενός πειράματος αλλά απλώς να υπολογίσει τις πιθανότητες κάποιου αποτελέσματος. Κι ενώ η θεωρία του Αϊνστάιν παρουσιάζει ένα Σύμπαν προβλέψιμο, στα βάθη του ατόμου η Κβαντομηχανική βασίζεται στην απροσδιοριστία και στις πιθανότητες, κάτι που οδήγησε τον διαφωνούντα Αϊνστάιν να δηλώσει ότι στο Σύμπαν «ο Θεός δεν μπορεί να παίζει ζάρια».

Κι όμως αυτή είναι η πραγματικότητα που επικρατεί στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων, κάτι που αποδεικνύεται καθημερινά αφού χωρίς την ύπαρξη του θεωρητικού υπόβαθρου της Κβαντομηχανικής δεν θα υπήρχε καμία από τις χιλιάδες των ηλεκτρονικών συσκευών που διαθέτουμε σήμερα: τα κινητά τηλέφωνα και οι υπολογιστές, τα λέϊζερ στην ιατρική, την επικοινωνία και την ψυχαγωγία, και οι χιλιάδες άλλες εφαρμογές τους. Χρησιμοποιούμε δηλαδή την Κβαντομηχανική καθημερινά, είτε το ξέρουμε είτε όχι, είτε την καταλαβαίνουμε είτε όχι.

Κι έτσι από την δεκαετία του 1930 και μέχρι τις αρχές του 1970, όσο παράξενο κι αν φαίνεται, ο κόσμος της Φυσικής είχε χωριστεί σε δύο διαφορετικά στρατόπεδα: σ’ αυτούς που μελετούσαν τον μεγάκοσμο των άστρων, των γαλαξιών και των κβάζαρ με την βοήθεια της Γενικής Σχετικότητας, και σ’ αυτούς που μελετούσαν τον μικρόκοσμο των ατόμων και των υποατομικών τους σωματιδίων με την βοήθεια της Κβαντομηχανικής. Κι όλα αυτά γιατί απλούστατα κανείς δεν μπορούσε, ούτε και προσπαθούσε άλλωστε, να ενοποιήσει τις δύο αυτές μεγάλες θεωρίες του 20ου αιώνα, την Γενική Σχετικότητα με την Κβαντομηχανική, σε μία ενοποιημένη θεωρία Πεδίου που να περιγράφει τη βαρύτητα ως μία κβαντισμένη δύναμη. Κι όμως η ενοποίηση αυτή, όσο κι αν φαίνεται ότι δεν έχει σημασία, είναι απαραίτητη στην προσπάθειά μας να κατανοήσουμε το Σύμπαν στο σύνολό του και ιδιαίτερα σε περιοχές ιδιαίτερα μεγάλης πυκνότητας και βαρύτητας, όπως είναι οι Μαύρες Τρύπες και η στιγμή της γέννησης του Σύμπαντος.

cosmology.berkeley.edu

Γι’ αυτό η ακριβής γνώση των πρώτων απειροελάχιστων στιγμών της δημιουργίας θα εξαρτηθεί από το αποτέλεσμα που θα έχει στο άμεσο μέλλον η προσπάθεια της σύγχρονης επιστήμης να συνδέσει την Κβαντομηχανική με τη Γενική Σχετικότητα σε μία και μοναδική Ενοποιημένη Θεωρία Πεδίου που να περιγράφει τη βαρύτητα ως μία κβαντισμένη δύναμη. Η σκέψη που κάνουν οι σύγχρονοι φυσικοί είναι ότι όπως και η βαρύτητα το ίδιο και οι άλλες τρεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις) της φύσης ίσως να δημιουργούνται κι αυτές από χωροχρονο-παραμορφώσεις. Για να εξηγηθεί όμως η ύπαρξη των δυνάμεων αυτών χρειαζόμαστε την ύπαρξη επτά πρόσθετων διαστάσεων. Αν η θεωρία αυτή αληθεύει, ζούμε σ’ ένα Σύμπαν έντεκα διαστάσεων!

Επιπλέον, με την πρόσφατη ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς (τον Ιούλιο του 2012) άνοιξε ένα νέο κεφάλαιο στην ιστορία της φυσικής που ίσως να αντικαταστήσει το επονομαζόμενο «Καθιερωμένο Πρότυπο» με μια νέα θεώρηση του Σύμπαντος που ονομάζεται υπερσυμμετρία! Σ’ αυτήν όμως την περίπτωση δεν υπάρχει ένα μόνο μποζόνιο Χιγκς αλλά πέντε! Κι έτσι παρόλο που η θεώρηση αυτή του Σύμπαντος μπορεί να ενώσει τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις σε μία και μοναδική υπερδύναμη, εντούτοις προβλέπει επίσης και την ύπαρξη, εκτός των πέντε μποζονίων Χιγκς, και μίας αρμάδας νέων σωματιδίων από τα οποία δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη κανένα!

ΠΗΓΗ: Η Καθημερινή