Το αντικείμενο της σύγχρονης κοσμολογίας

γράφει ο Διονύσης Σιμόπουλος 
Αστροφυσικός, Διευθυντής Ευγενιδείου Πλανηταρίου


Αργά ή γρήγορα ένα από τα βασικά ερωτήματα που δημιουργούνται στο μυαλό κάθε ανθρώπου είναι και το ερώτημα της γέννησης και της εξέλιξης του Σύμπαντος. Πρόκειται για την βάση της σύγχρονης επιστήμης της Κοσμολογίας η οποία εξετάζει την περιεκτικότητα της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν, την μορφή και την δομή που έχει, την ηλικία και την ιστορία του καθώς και την μελλοντική του εξέλιξη. Σ' αυτού του είδους τα ερωτήματα οι επιστήμονες προσπαθούν να δώσουν απαντήσεις με τη βοήθεια των τεράστιων ατομικών επιταχυντών αλλά και με τις παρατηρήσεις των γιγάντιων τηλεσκοπίων στη Γη και στο Διάστημα. Έτσι, οι ανακαλύψεις των τελευταίων μερικών χρόνων μας έχουν οδηγήσει στην διαπίστωση ότι όλα τα άστρα, τα νεφελώματα και οι γαλαξίες που υπάρχουν αποτελούν το 5% μόνο των συστατικών του Σύμπαντος. Ανακαλύψαμε επίσης ότι διάχυτα στο Σύμπαν περιλαμβάνονται κι άλλα υλικά που είναι προς το παρόν «αόρατα». Η «σκοτεινή ύλη» (όπως ονομάζεται) που υπάρχει με κάποια μορφή αποτελεί το 27% περίπου των συστατικών του Σύμπαντος αν και δεν μπορούμε μέχρι τώρα να προσδιορίσουμε από τι αποτελείται.

Ακόμη όμως κι αν στην ύλη που βλέπουμε προσθέσουμε και όλα τα υλικά της «σκοτεινής ύλης» πάλι φαίνεται ότι χρειαζόμαστε μια διπλάσια επί πλέον ποσότητα «υλικών» ή «ενέργειας» (αφού ύλη και ενέργεια αποτελούν δύο όψεις του ιδίου πράγματος) για να εξηγηθούν οι παρατηρήσεις των κοσμολόγων που μας λένε ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ένα «επίπεδο» Σύμπαν. Ένα Σύμπαν του οποίου η χωροχρονική διαστολή φαίνεται ότι δεν πρόκειται να σταματήσει ποτέ. Γιατί οι μετρήσεις που έγιναν εδώ και 20 περίπου χρόνια μας δείχνουν ότι η διαστολή του Σύμπαντος όχι μόνο δεν επιβραδύνεται λόγω της βαρύτητας των υλικών που περιλαμβάνει (ορατή και σκοτεινή ύλη) αλλά αντίθετα επιταχύνεται από τότε που το Σύμπαν είχε το ήμισυ της ηλικίας που έχει σήμερα.

Γι' αυτό όλο και πιο πολλοί κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν σήμερα την επιτάχυνση αυτή σαν μια πέμπτη δύναμη, ένα απωθητικό είδος «αντιβαρύτητας», που είναι συνδεδεμένη με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού και η οποία προβλέπεται από την σύγχρονη θεωρία πεδίων. Της έχουν μάλιστα δώσει κι ένα ιδιαίτερα ευφάνταστο όνομα αποκαλώντας την «σκοτεινή ενέργεια». Οι κοσμολόγοι υποστηρίζουν ότι η ενέργεια αυτή αποτελεί σήμερα το 68% της υλο-ενέργειας που απαιτείται για να γίνει το Σύμπαν επίπεδο όπως παρατηρείται ότι είναι. Αυτού του είδους η ενέργεια προέρχεται από την εμφάνιση «εικονικών σωματιδίων» τα οποία ξεπηδούν από το «τίποτα» και εξαφανίζονται (εξαϋλώνονται) στιγμιαία προτού προφτάσει κάποιος να τα παρατηρήσει. Αυτό, δηλαδή, που ονομάζουμε «τίποτα» είναι το μηδενικό αποτέλεσμα που βγαίνει από το άθροισμα θετικής και αρνητικής ενέργειας που υπάρχει στο «κενό».

Οι μελέτες αυτές μας έχουν δώσει τα εφόδια εκείνα με τα οποία μπορούμε να διατυπώσουμε σήμερα (με αρκετή μάλιστα βεβαιότητα) τα πρώτα βήματα της γέννησης του Σύμπαντος αλλά και την εξελικτική του έκτοτε πορεία. Για να το κατορθώσουμε όμως αυτό χρειάστηκε πρώτα να κοιτάξουμε επισταμένως το εσωτερικό του ατόμου, να μελετήσουμε τις αλληλεπιδράσεις των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης, να αναγνωρίσουμε την αναγκαιότητα της ύπαρξης ένδεκα συνολικά διαστάσεων στο Σύμπαν, καθώς επίσης και να καταγράψουμε διάφορα αντικείμενα, γεγονότα και φαινόμενα στο Σύμπαν που απέχουν μεταξύ τους δισεκατομμύρια έτη φωτός, στο χώρο και τον χρόνο. Η σύγχρονη αυτή αντίληψη της γέννησης του Σύμπαντος και του χρόνου βασίζεται σε μία θεώρηση που είναι σήμερα γνωστή ως Θεωρία της «Μεγάλης Έκρηξης».

Φυσικά όταν μιλάμε σήμερα για τις απόψεις των σύγχρονων κοσμολόγων σχετικά με τη γέννηση του Σύμπαντος αναφερόμαστε σε μαθηματικά μοντέλα που περιέχουν απλουστευμένες περιγραφές της δομής και της ιστορίας του και ως εκ τούτου δεν αποτελούν μια τέλεια απεικόνισή του αλλά μια χονδροειδή περιγραφή του. Παρ' όλα αυτά τα σύγχρονα αυτά μοντέλα έχουν την ικανότητα να προβλέπουν ορισμένες ιδιότητες του Σύμπαντος που μπορούν να επαληθευτούν ή όχι από τις αστρονομικές παρατηρήσεις και τα πειράματά μας στους επιταχυντές των υποατομικών σωματιδίων. Έτσι η αποκρυπτογράφηση των στοιχείων που έχουμε σήμερα μπορεί να μας περιγράψει ικανοποιητικά τον τρόπο με τον οποίο εξελίχτηκε το Σύμπαν όλα αυτά τα χρόνια και ιδιαίτερα τις πρώτες σημαντικότατες στιγμές της ύπαρξής του.

Επίσης δεν πρέπει να ξεχνάτε ότι η Μεγάλη Έκρηξη των κοσμολόγων δεν έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από μας, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Γιατί με τον όρο «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.

Φυσικά οι γαλαξίες του Σύμπαντος 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 («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 («ξεχείλωμα»).

Είναι επίσης ευνόητο ότι κανείς δεν μπορεί να ξέρει σήμερα τι υπήρχε πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη γιατί ο χρόνος και ο χώρος δεν είχαν οντότητα. Υπήρχε μόνο ο κοσμικός πυρήνας, ο αρχικός εκείνος «σπόρος» των απεριόριστα μικρών διαστάσεων, που περιέκλειε μέσα του το σπέρμα μιας ολόκληρης οικουμένης είτε πρόκειται για μια πραγματική «μοναδικότητα», μια «ανώμαλη ιδιομορφία» με τεράστια πυκνότητα και θερμότητα, είτε το «τίποτα», είτε τέλος μια ολάκερη αλληλουχία προϋπαρχόντων Συμπάντων όπου το δικό μας Σύμπαν δεν είναι παρά ένα από έναν «άπειρο» αριθμό διαστελλόμενων Συμπάντων. Τα πάντα, πάντως, που βλέπουμε σήμερα να υφίστανται στο Σύμπαν, ο χρόνος και ο χώρος, η ενέργεια και η ύλη, τα πάντα, για μάς τουλάχιστον, αρχίζουν με την Μεγάλη Έκρηξη. Έτσι δεν έχει κανένα νόημα, προς το παρόν τουλάχιστον, να μιλάει κανείς για γεγονότα που συνέβησαν πριν από την Ώρα Μηδέν, γιατί πριν απ' αυτή την στιγμή δεν υπάρχει ροή του χρόνου. Θα ήταν σαν να ρωτούσαμε τι υπάρχει βόρεια από τον Βόρειο Πόλο. Η Ώρα Μηδέν είναι η στιγμή της εκκίνησης από την οποία προέρχονται τα πάντα.

Εν κατακλείδι μπορούμε να πούμε πως, αν και όχι τέλεια, η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης επεξηγεί ικανοποιητικά πολλές από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι τώρα, ως ένα πλήρες, μαθηματικά θεμελιωμένο μοντέλο. Η ακριβής, όμως, γνώση μας για τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της δημιουργίας θα εξαρτηθεί από το αποτέλεσμα που θα έχει στο μέλλον η προσπάθεια της σύγχρονης επιστήμης να συνδέσει τις δύο μεγάλες θεωρίες του 20ου αιώνα, την Κβαντομηχανική με τη Γενική Σχετικότητα, σε μία και μοναδική Ενοποιημένη Θεωρία Πεδίου που να περιγράφει τη βαρύτητα ως μία κβαντισμένη δύναμη κάτω όμως από μία κατάσταση «υπερσυμμετρίας». Για να εξηγηθεί όμως η κατάσταση αυτή χρειαζόμαστε την ύπαρξη επτά πρόσθετων διαστάσεων. Αν η θεωρία αυτή αληθεύει, ζούμε σ' ένα Σύμπαν ένδεκα διαστάσεων!

Η Γενική Σχετικότητα θεωρείται σήμερα ως η πιο όμορφη θεωρία της Φυσικής που μας περιγράφει με έναν πολύ «κομψό» τρόπο την συμπεριφορά της βαρύτητας στο Σύμπαν. Γιατί σύμφωνα με τον Αϊνστάιν η δύναμη της βαρύτητας έχει την ικανότητα να παραμορφώνει έντονα την γεωμετρία του χωρόχρονου, που με απλά λόγια σημαίνει ότι «ο χωρόχρονος λέει στην ύλη πως να κινείται και η ύλη λέει στον χωρόχρονο πως να παραμορφώνεται», όπως έλεγε χαρακτηριστικά ο περίφημος σύγχρονος φυσικός Τζων Γουίλερ. Η Κβαντομηχανική από την άλλη πλευρά είναι πολύ πιο παράξενη, γιατί όλη αυτή η θεώρηση του μικρόκοσμου βασίζεται στις πιθανότητες και την απροσδιοριστία των γεγονότων, κάτι τελείως έξω από τις καθημερινές μας εμπειρίες και την «κοινή λογική». Χωρίς όμως 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.

Συνοψίζοντας λοιπόν την τρέχουσα κατάσταση που επικρατεί στις μελέτες της σύγχρονης Κοσμολογίας πρέπει να ομολογήσουμε ότι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, επικουρούμενη με τις προσθήκες των θεωριών του Πληθωρισμού και των Υπερχορδών (Θεωρία Μ), περιγράφει ικανοποιητικά την πραγματική ιστορία του Σύμπαντος από την γέννησή του και μέχρι σήμερα. Υπάρχουν φυσικά αρκετά ακόμη ερωτηματικά στις λεπτομέρειές της που χρειάζεται να διευκρινιστούν. Λεπτομέρειες όμως οι οποίες μπορούν άνετα να βρουν την λύση τους στις επόμενες δύο περίπου δεκαετίες. Και τότε την σκυτάλη θα πάρουν οι θεωρητικοί φυσικοί και τα διάφορα σενάρια που προβλέπουν το «πριν», το «πως», το «πότε» και ίσως ακόμη και το «γιατί» της ύπαρξης του Σύμπαντος και της δικής μας. Στα επόμενα, δηλαδή, 10 χρόνια υπολογίζουμε ότι θα έχουμε μάθει τις λεπτομέρειες της γένεσης του Σύμπαντος. Θα ξέρουμε εάν πράγματι υπάρχουν παράλληλα Σύμπαντα, όπως ορισμένες θεωρητικές εκτιμήσεις μας λένε σήμερα, ενώ θα ξέρουμε ακόμη αν υπάρχουν 11 συνολικά διαστάσεις. Και τότε θα έχουμε μάθει τέλος και από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.



*Από τις 2 έως τις 4 Οκτωβρίου η Αθήνα θα γίνει το επίκεντρο των επιστημών καθώς πρόκειται να φιλοξενήσει το 2ο Συμπόσιο των Επτά Σοφών του Κόσμου.



ΠΗΓΗ