Στην αρχή ήταν η Μεγάλη Έκρηξη – ή μήπως όχι;

του καθηγ. Χάρη Βάρβογλη, epicuros.net, 15/10/2014

Η κρατούσα θεωρία για τη δημιουργία του Σύμπαντος είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης που λίγο-πολύ όλοι έχουμε ακούσει. Το Σύμπαν, ως χώρος και χρόνος μαζί και με το περιεχόμενό του, εμφανίστηκε ξαφνικά πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Η ιδέα αυτή αντιμετωπίζεται συνήθως με δυσπιστία από τον μέσο αναγνώστη επειδή φαίνεται εντελώς παράλογη - και όχι χωρίς λόγο, αφού το ίδιο «άβολα» νιώθουν γι' αυτήν και οι ειδικοί επιστήμονες.

Ο λόγος είναι ότι, πέρα από τις όποιες φιλοσοφικές αντιρρήσεις που σχετίζονται με την εμφάνιση του χώρου και του χρόνου από το τίποτα, υπάρχουν και μερικές «τεχνικές» λεπτομέρειες που δεν έχουν απαντηθεί ικανοποιητικά ως σήμερα. Μερικές από αυτές είναι προφανείς και σε έναν μη ειδικό, για παράδειγμα το πώς και το γιατί δημιουργήθηκε η Μεγάλη Έκρηξη.

Άλλες προκύπτουν από αστρονομικές παρατηρήσεις που δείχνουν ότι το Σύμπαν έχει μερικές απροσδόκητες ιδιότητες, όπως π.χ. η ομογένεια, η ισοτροπία και η επιταχυνόμενη διαστολή, που εξηγούνται μόνο με την επίκληση άγνωστων στην καθημερινή Φυσική δυνάμεων.

Πρόσφατα μια διεθνής ομάδα κοσμολόγων πρότεινε μια θεωρία για το Σύμπαν που παρακάμπτει όλες αυτές τις δυσκολίες και η οποία απέσπασε εύφημη μνεία τα δύο τελευταία χρόνια στην ετήσια αξιολόγηση δημοσιεύσεων κοσμολογικού περιεχομένου. Πέρα από το όποιο επιστημονικό ενδιαφέρον της, η θεωρία είναι άξια προσοχής επειδή της διεθνούς ομάδας κοσμολόγων ηγείται ένας Έλληνας. 

Το μυστήριο του κοσμικού πληθωρισμού

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960 υπήρχαν δύο αντιμαχόμενες θεωρίες για τη δημιουργία του Σύμπαντος: η θεωρία της Σταθερής Κατάστασης, που πρέσβευε ότι το Σύμπαν υπήρχε από πάντα, και η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, που πρέσβευε ότι το Σύμπαν είχε δημιουργηθεί κάποια στιγμή στο παρελθόν. Η παρατήρηση το 1965 της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία προβλέπεται από τη Μεγάλη Έκρηξη αλλά όχι από τη Σταθερή Κατάσταση, έγειρε την πλάστιγγα υπέρ της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

Μεταγενέστερες παρατηρήσεις όμως φανέρωσαν ιδιότητες του Σύμπαντος που δεν μπορούσε να εξηγήσει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης στο πλαίσιο της γνωστής Φυσικής. Έτσι ανέκυψε η ανάγκη εισαγωγής νέων θεωριών, για τις οποίες δεν υπήρχε κανενός είδους πειραματική επιβεβαίωση ή έστω ένδειξη.

Για παράδειγμα, η αξιοσημείωτη ομογένεια του Σύμπαντος σε μεγάλες κλίμακες, δηλαδή το γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται από όλα τα σημεία του το ίδιο, και η αξιοσημείωτη ισοτροπία του, δηλαδή το γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις, οδήγησαν στην εισαγωγή της θεωρίας του πληθωριστικού Σύμπαντος. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, μόλις 10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (δηλαδή, ένα δισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου) το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται επιταχυνόμενο εξαιτίας μια δύναμης πέρα από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις της φύσης στις οποίες βασίζεται η Φυσική που διδάσκουμε. 

Σήμερα δεν είναι πλήρως κατανοητό ούτε γιατί ξεκίνησε αυτή η επιταχυνόμενη διαστολή ούτε πότε και πώς σταμάτησε. Είναι όμως σίγουρο ότι διήρκεσε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου κατά τη διάρκεια του οποίου το μέγεθος του Σύμπαντος αυξήθηκε κατά 10²⁵ (δηλαδή, δέκα τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων) φορές.

Η ασύλληπτα γρήγορη και ισχυρή διαστολή εξάλειψε όλες τις πιθανές ανομοιογένειες και ανισοτροπίες έτσι ώστε το Σύμπαν να παρουσιάζει την εικόνα της ομογένειας και ισοτροπίας που παρατηρούμε σήμερα. Αλλά δεν φαίνεται να υπάρχει τρόπος να ερμηνευθεί ικανοποιητικά ούτε ο χρόνος έναρξης και διάρκειας του φαινομένου ούτε και η έντασή του, πέρα φυσικά από την αιτία που το προκάλεσε, που είναι και αυτή ένα μυστήριο. 

Οι αριθμοί 

►      14 δισεκατομμύρια χρόνια πριν δεχόμαστε ότι γεννήθηκε το Σύμπαν, μαζί ο χώρος και ο χρόνος, 

►      10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη πιστεύουμε ότι άρχισε να διαστέλλεται επιταχυνόμενο το νεαρό Σύμπαν,

►      2 νέες δυνάμεις χρειάστηκε να προσθέσουμε αυθαίρετα στη Φύση για να ερμηνεύσουμε αυτό το μοντέλο.

Γιατί συνεχίζεται η επιταχυνόμενη διαστολή; 

Η προ δεκαετίας παρατήρηση ότι το Σύμπαν διαστέλλεται και σήμερα με επιταχυνόμενο ρυθμό δημιούργησε ένα άλλο πρόβλημα. Από τις τέσσερις γνωστές και γενικά αποδεκτές δυνάμεις της φύσης μόνο η βαρύτητα ενεργεί σε μεγάλες αποστάσεις και είναι ελκτική. Έτσι όλοι οι γαλαξίες έλκονται μεταξύ τους, σαν να είναι συνδεδεμένοι με ιδιότυπα ελατήρια, πράγμα που σημαίνει ότι η διαστολή του Σύμπαντος θα έπρεπε να επιβραδύνεται.

Η παρατήρηση της επιταχυνόμενης διαστολής μάς οδήγησε στην υπόθεση της ύπαρξης μιας πέμπτης απωστικής δύναμης, η οποία δρα μόνο σε μεγάλες αποστάσεις και η οποία οφείλεται στην ύπαρξη μιας νέας μορφής ενέργειας που ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια. Τη δύναμη αυτή εισήγαγε πρώτος ο Αϊνστάιν στις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας με τη μορφή ενός σταθερού όρου σε αυτές ο οποίος ονομάστηκε κοσμολογική σταθερά.

Έτσι καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι για να δεχθούμε το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης πρέπει να εισαγάγουμε δύο νέες δυνάμεις στη φύση (μία για τις πρώτες στιγμές του και μία για σήμερα), χωρίς να έχουμε καμία άλλη πειραματική ή θεωρητική ένδειξη για την ύπαρξή τους.

Σε κάποιον που έχει ασχοληθεί με την εξέλιξη των ιδεών στη Φυσική, η κατάσταση αυτή θυμίζει τη θεωρία του γεωκεντρικού πλανητικού συστήματος του Πτολεμαίου στην οποία, για να ερμηνεύσουμε τις παρατηρήσεις της θέσης των πλανητών υποθέτοντας ότι κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τη Γη, έπρεπε να υποθέσουμε ολοένα και πιο πολύπλοκους νόμους κίνησης - ώσπου ο Κέπλερ διατύπωσε τη θεωρία ότι οι πλανήτες κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον Ήλιο, οπότε όλες οι παρατηρήσεις ερμηνεύθηκαν διαμιάς ως διά μαγείας. 

Η θεωρία του αέναου Σύμπαντος

Είναι δυνατόν άραγε όλα τα προβλήματα που εμφανίζονται στο «κλασικό» σενάριο της Μεγάλης Έκρηξης να λυθούν με μία μόνο υπόθεση; Αυτή τη γραμμή σκέψης ακολούθησε η τριεθνής ερευνητική ομάδα που αποτελείται από τους Σπύρο Βασιλάκο (Ελλάδα), Jose Ademir Sales Lima (Βραζιλία) και Joan Sola (Ισπανία).

Σύμφωνα με τη θεωρία της ομάδας, όλες οι παρατηρούμενες ιδιότητες του Σύμπαντος μπορούν να ερμηνευθούν αν υποθέσουμε ότι η λεγόμενη κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν δεν είναι σταθερά αλλά μεταβάλλεται, είναι δηλαδή αυτό που λένε οι μαθηματικοί, συνάρτηση του χρόνου. Η εισαγωγή της κατάλληλης συνάρτησης στις εξισώσεις του Αϊνστάιν μάς οδηγεί σε μια λύση στην οποία το Σύμπαν ξεκινάει από μια αέναη κατάσταση, οπότε αποφεύγεται το πρόβλημα της εμφάνισης της Μεγάλης Έκρηξης, είναι όσο ομογενές και ισότροπο χρειάζεται -οπότε αποφεύγεται το πρόβλημα του χρόνου έναρξης και λήξης της πληθωριστικής φάσης του Σύμπαντος-, και διαστέλλεται με αυξανόμενη ταχύτητα πέρα από μια ορισμένη χρονική στιγμή -οπότε αποφεύγεται το πρόβλημα της εισαγωγής της σκοτεινής ενέργειας.

Η νέα θεωρία εξηγεί με συνεπή και ολοκληρωμένο τρόπο την κοσμική ιστορία του Σύμπαντος. Θα γίνει άραγε αποδεκτή από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα; Είναι νωρίς να το πούμε, αλλά είναι αξιοσημείωτο ότι η ερευνητική ομάδα έλαβε ήδη δύο τιμητικές διακρίσεις (Honorable Mention) τα έτη 2013 και 2014 στον διεθνή διαγωνισμό βαρύτητας Essay Competition of Gravity Research που γίνεται στις ΗΠΑ.