Η ενηλικίωση της κοσμικής διαστολής του Σύμπαντος PDF Εκτύπωση E-mail
Επιστήμη - Επιστημονικά άρθρα
Πέμπτη, 26 Απρίλιος 2007 19:26
του Σταμάτη Τσαχάλη

Αφ' ότου η διαστολή (πληθωρισμός του Σύμπαντος) μετέτρεψε την κοσμολογία, μια σημαντική ερώτηση παραμένει:
'Εγινε μήπως το σύμπαν μεγαλύτερο εξ αιτίας της;
Το 1979 ένας άγνωστος μέχρι τότε νεαρός φυσικός, ο Alan Guth, συνέλαβε στο μυαλό του μια τόσο δυναμική ιδέα, που τον έκανε να σημειώσει στο φύλλο του σημειωματαρίου του, που ήταν σπαρμένο με εξισώσεις, τις λέξεις "Θεαματική πραγματοποίηση". Μέσα σε ένα χρόνο η επιστημονική κοινότητα αναγνώρισε ότι η ιδέα του Guth ήταν πραγματικά θεαματική. Η ενασχόληση του Guth με τα αξιώματα της φυσικής των μορίων είχε ως αποτέλεσμα να λύσει ολομόναχος σχεδόν άλυτα αινίγματα της κοσμολογίας.

Η βασική ιδέα του Guth, την οποία ονόμασε διαστολή, φαινόταν να είναι ακριβώς ό, τι θα συμβούλευε ένας γιατρός για να μπαλωθούν οι χαίνουσες τρύπες εκείνη την εποχή στην θεωρία της Μεγάλης 'Εκρηξης. Το 1979 το κανονικό πρότυπο της Μεγάλης 'Εκρηξης εξηγούσε επαρκώς την προέλευση των ελαφρών στοιχείων και την παρουσία της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου, που ήταν υπολείμματα της πρωταρχικής έκρηξης.

Το κανονικό πρότυπο όμως δεν μπορούσε να δώσει απάντηση σε μια πλειάδα σημαντικών ερωτήσεων:

Πώς γίνεται το σύμπαν να είναι τόσο ομοιόμορφο στις μεγάλες κλίμακες;

Τι ήταν εκείνο που προκάλεσε διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης του σύμπαντος, που τελικά οδήγησε στον σχηματισμό υλικού όπως οι γαλαξίες, οι πλανήτες και οι άνθρωποι;

Γιατί εξ άλλου το σύμπαν περιέχει τόσο πολύ υλικό;

Τώρα πια, μετά από την διαίσθηση του Guth, αξίζει κανείς να ερευνήσει πόσο η διαστολή άντεξε στην δοκιμασία του χρόνου. Από μια μεριά η διαστολή πάει καλά ευρέως θεωρούμενη ότι αποτελεί αναπόσπαστο συστατικό της νέας κοσμολογίας Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά από την άλλη μεριά ακόμα πάσχει από αοριστία. Ο Guth παραδέχεται ότι "αν και η βασική ιδέα εξακολουθεί να είναι ελκυστική δεν γνωρίζουμε τις αληθινές λεπτομέρειες της διαστολής ή του μηχανισμού που την κινεί". Στις αρχές του εικοστού πρώτου αιώνα η περίοδος δοκιμασίας της διαστολής πλησιάζει προς το τέλος της, διότι οι αστρονόμοι πρέπει να αποφασίσουν αν η διαστολή θα επικρατήσει, αν θα χρειαστεί τροποποιήσεις ή θα πρέπει να αντικατασταθεί. Οι δυνατότητες όπως θα δείτε είναι σχεδόν άπειρες.

ΤΑΧΥΤΕΡΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Σύμφωνα με τις κοσμολογικές αντιλήψεις οι ρίζες της διαστολής είναι πολύ σαφείς. Μια βασική πρόρρηση από την θεωρία της φυσικής των μορίων δηλώνει ότι η ύλη σε κατάσταση υψηλής ενέργειας (όπως την αναμενόμενη κατά την δημιουργία του σύμπαντος) μπορεί να προσλάβει ένα πλήθος από ασυνήθιστα σχήματα συμπεριλαμβανομένης και μιας ανεστραμμένης κατάστασης της βαρύτητας. Σ' αυτή την περίπτωση ογκώδη μόρια μάλλον απωθούνται αντί να έλκονται. Επί πλέον η ύλη σε μια τέτοια άνω-κάτω κατάσταση κατέχεται από μια παράξενη ιδιότητα: η πυκνότητά της παραμένει σταθερή έστω κι αν ο όγκος του χώρου μέσα στον οποίο βρίσκεται διαστέλλεται κατά τρόπο υπερβολικό.

Στην γλώσσα της φυσικής των μορίων αυτή η ουσία που έχει την ιδιότητα να γεμίζει τον χώρο και να μην έχει βαρύτητα μπορεί να περιγραφεί σαν βαθμωτό πεδίο. Αν και μπορεί να ακούγεται σαν να είναι εξωτικά αυτά τα βαθμωτά πεδία είναι απλά ένας τρόπος αντιπροσώπευσης μιας σειράς αριθμητικών αξιών σε διάφορα σημεία του διαστήματος. Π.χ. αν μπορείτε να προσδιορίσετε ποσοτικά μια ειδική παράμετρο σε πολλαπλές τοποθεσίες, όπως πίεση αέρα σε κάθε σημείο ενός δωματίου, έχετε τότε ένα βαθμωτό πεδίο της πιέσεως του αέρα. Εκτός τούτου τα βαθμωτά πεδία (όσον αφορά στους επιστήμονες φυσικής των μορίων) υπόκεινται σε κβαντικές διακυμάνσεις.

'Οταν δε οι διακυμάνσεις στο αντιβαρυτικό βαθμωτό πεδίο μεγιστοποιούνται αρκετά μια περιοχή του διαστήματος μπορεί να διαστέλλεται ταχύτατα. Αν μάλιστα ένα μικροσκοπικό κομμάτι του διαστήματος γεμίσει με ένα αντιβαρυτικό βαθμωτό πεδίο για μια στιγμή θα φουσκώσει ομοιόμορφα και εκθετικά όπως μια φραντζόλα ψωμί.

Σύμφωνα με το πρότυπο της διαστολής του Guth ένα αντιβαρυτικό βαθμωτό πεδίο κυριαρχούσε όταν το σύμπαν είχε μόλις 10 - 35 δευτερόλεπτα ζωής. Διακυμάνσεις σ' αυτό το πεδίο προκάλεσαν το σύμπαν στη γένεσή του, που ήταν τότε μικρότερο απο την διάσταση ενός πρωτονίου, να διασταλεί γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Σχεδόν ακαριαία το σύμπαν διπλασιάστηκε σε διάσταση 100 φορές. Αλλά όμως τόσο γρήγορα όσο άρχισε η διαστολή σταμάτησε, γιατί το αντιβαρυτικό υλικό έγινε ασταθές απελευθερώνοντας πιθανώς ενέργεια που μετατράπηκε κατά τη διάρκεια της διαστολής που προκάλεσε η διόγκωση σε ακτινοβολία και ύλη. Τελικά το σύμπαν συνέχισε να διαστέλλεται με τον πολύ μέτριο ρυθμό που παρατηρούμε σήμερα αν και φαινομενικά δείχνει να επιταχύνεται.

ΠΗΧΤΗ ΚΑΙ ΧΑΟΣ

Παρά την αρχική επιτυχία η διαστολή δεν υπήρξε απρόσβλητη από την κριτική. Η αρχική διατύπωση από τον Guth π.χ. είχε μια αδυναμία την οποία παραδέχτηκε στην διατριβή του το 1981 και την οποία εξήγησε σε ένα μακροσκελές υπόμνημα που συνέταξε με τον Erick Wemberg. Ο Guth είχε απεικονίσει την μεταβατική φάση μεταξύ της αντιβαρυτικής εποχής και της εποχής που την ακολούθησε και κατά την οποία δέσποζε η ακτινοβολία σαν κάτι παρόμοιο με το νερό που βράζει.

Σ' αυτό το σενάριο το μετά την διαστολή σύμπαν ήταν γεμάτο με φυσαλίδες που δεν είχαν την ευκαιρία να συγκεντρωθούν και να συγχωνευθούν λόγω της ταχείας διαστολής.

Ο Guth λέει ότι: "η δημιουργία αυτών των φυσαλίδων θα είχε κάνει τα πράγματα τόσο ανομοιογενή που δεν θα είχε το σύμπαν την όψη που βλέπουμε να έχει σήμερα".

Η πρώτη επιτυχής εξήγηση γύρω από αυτό το πρόβλημα που ονομάζεται "νέα διαστολή" δόθηκε κατά τα τέλη του 1981 απο τον φυσικό Andrei Linde και ξεχωριστά από τον Paul Steinhardt.

Ο Guth συνεχίζει : "Το βράσιμο του νερού αντικαταστάθηκε από μιά ηπιότερη και βραδύτερη μεταβατική κατάσταση που μπορεί να πει κανείς ότι μοιάζει περισσότερο στο πήξιμο της Jell-O ( πηχτής )".

Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να βραδύνει τον ρυθμό της διαστολής δίνοντας σε κάθε φυσαλίδα την ευκαιρία να διασταλεί σε φανταστικές διαστάσεις πολύ μεγαλύτερες από το διακρινόμενο σύμπαν.

Ο Guth θα μας πεί: "εάν αυτή η άποψη είναι ορθή τότε ζούμε σε μια τόσο μεγάλη φυσαλίδα που δεν μπορούμε να διακρίνουμε τα όριά της".

Ο Steinhardt και οι συνάδελφοί του ανάπτυξαν άλλη μία περιγραφή, σχετικά με την μεταβολή της διαστολής, με το να ρυθμίζουν την συμπεριφορά του αντιβαρυτικού βαθμωτού πεδίου, το οποίο οι φυσικοί περιγράφουν με ορολογία σχετική με την δυναμική του ενέργεια. 'Οταν το πεδίο βρίσκεται στο ανώτερο όριο της δυναμικής του ενέργειας παρομοιάζεται με μια μπάλα στην κορυφή ενός λόφου. Καθώς το σύστημα προχωρεί με φυσικό τρόπο προς την ισορροπία, κατά τον ίδιο τρόπο η μπάλα θα κυλήσει φυσικά προς την κατηφορική πλευρά του λόφου, η δυναμική ενέργεια γίνεται κινητική ενέργεια. Με τη σειρά της η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ακτινοβολία η οποία τελικά σταματάει την διαστολή. Σαν ένα δώρο, μέρος αυτής της ακτινοβολίας μετατρέπεται αργότερα σε ύλη που γεμίζει το σύμπαν.

Ο Linde το 1983 πρότεινε μια μετατροπή που ονομάζει "χαοτική διαστολή". Η βασική πρόταση συλλογισμού της χαοτικής διαστολής είναι ότι το βαθμωτό πεδίο μπορεί να έχει μια πληθώρα ενεργειακών αξιών. Σε μερικά σημεία το βαθμωτό πεδίο υπάρχει στην "κατάσταση εδάφους", κοντά στην ελάχιστη δυναμική ενέργεια, ενώ σε άλλα σημεία φαίνεται να κατέχει περισσότερη δυναμική ενέργεια. Η περιοχή του διαστήματος πλησίον του ελάχιστου ορίου παραμένει μικρή και δεν διαστέλλεται, ενώ η περιοχή με παραπάνω δυναμική ενέργεια θα διασταλεί και θα γίνει εκθετικά μεγάλη. Παρ' όλη την σημασία της η αντίληψη αυτή δεν είναι άσχετη με την "χαοτική θεωρία" που περιγράφει απρόβλεπτα συστήματα που μεγεθύνονται κατά τρόπο άτακτο με την πάροδο του χρόνου.

Το 1989 ο Steinhardt εισήγαγε την έννοια της "εκτεταμένης διαστολής", που παρουσίαζε έναν νέο τρόπο λήξης της διαστολής, προτείνοντας αλλαγές στη συμπεριφορά της βαρύτητας στις υψηλές ενέργειες για να βραδύνει την μεγέθυνση του σύμπαντος. Μια πληθώρα απο άλλα πρότυπα διαστολής έχουν από τότε προταθεί συμπεριλαμβανομένης της "Υπερεκτεταμένης διαστολής", της "ανοικτής διαστολής" και της "διαστολής δύο γύρων". 'Ολα αυτά τα πρότυπα αποπειρώνται να εξηγήσουν 3 πράγματα:

Πώς αρχίζει η διαστολή, τι την θέτει σε κίνηση και πώς σταματάει. Κατά τον Steinhardt αν και ο αριθμός των παρουσιαζόμενων εννοιών δεν είναι τόσο μεγάλος, μπορεί κανείς να τις συνδυάσει με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. 'Ισως φαίνεται αξιοσημείωτο ότι πρότυπα από τα οποία λείπουν ορισμένες βασικές λεπτομέρειες, όπως π.χ. η κλίμακα της ενέργειας σύμφωνα με την οποία η διαστολή προχωρεί, μπορούν και λειτουργούν τόσο καλά. Ο Guth λέει: "κατά περίεργο τρόπο μπορούμε να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις έστω και αν δεν καταλαβαίνουμε πολύ καλά τον μηχανισμό που διέπει την διαστολή".

Πώς όμως μπορούμε να ξεχωρίζουμε τα πλέον αληθοφανή από τα πλέον ασαφή;

Μπορούμε να παραμερίσουμε τις περισσότερες θεωρίες σχετικά με τη διαστολή απλά με το να μελετήσουμε το βάθος των μικροκυμάτων με περισσότερη λεπτομέρεια. Ο Guth παραδέχεται ότι αυτοί οι έλεγχοι ενέργειας μπορούν να σμικρύνουν το εύρος του προς εξέταση πεδίου, αλλά δεν θα βρούμε την μοναδική λύση από τα πειράματα που συνήθως σχεδιάζονται να γίνουν. Στο μεταξύ οι αστρονόμοι βασίζουν τις ελπίδες τους στα κύματα της βαρύτητας που δημιουργήθηκαν κατά την πρώτη στιγμή ύπαρξης του σύμπαντος. Αυτά αποτελούν την καλύτερη ευκαιρία για την μελέτη των συνθηκών που έδωσαν το έναυσμα στην διαστολή. Δεν υπάρχει προσδοκία να δούμε κατ' ευθείαν τα πλέον ενεργητικά κύματα βαρύτητας γιατί θα απλωθούν σε ολόκληρο το σύμπαν και θα χρειαστεί ένα όργανο διαστάσεων για να τα εντοπίσουμε. Η στρατηγική συνίσταται στο να προσπαθήσουμε να δούμε τις δυσδιάκριτες αποτυπώσεις που θα αφήσουν επάνω στο μικροκυματικό υπόβαθρο.

Η Αποστολή Χαρτογράφησης της Ανισοτροπίας Wilkinson (WMAP) ενδέχεται να δίνει μια ελαφριά δυνατότητα να δούμε αυτή την λεπτή αποτύπωση. Επίσης το μεγάλης αποτελεσματικότητας διαστημόπλοιο του Planck, που προβλέπεται να εκτοξευτεί σύντομα, ίσως να έχει μια μεγάλη επιτυχία.

Οποιαδήποτε, προσεχώς, ανίχνευση της αποτύπωσης, στην οποία θα βρουν κύματα βαρύτητας, θα μπορούσε να φανερώσει την κλίμακα ενέργειας της διαστολής που ισοδυναμεί με το να δείξει πότε -και με ποια θερμοκρασία- άρχισε η διαστολή. Το σχήμα της καμπύλης της βαρύτητας αναφέρεται κατευθείαν στην ενέργεια του αντιβαρυτικού βαθμωτού πεδίου το οποίο θα φανερώσει στους μελετητές τα φυσικά φαινόμενα που εξουσιάζουν την διαστολή. Τα κύματα της βαρύτητας είναι τα μόνα ενδεικτικά σημεία που παρέμειναν από το πρώτο σύμπαν. Μέχρις ότου κάποιος να βγει με μια άλλη ιδέα αυτά τα κύματα είναι η μόνη μας ελπίδα να μπορέσουμε να μετρήσουμε ο,τιδήποτε μπορεί να μας φανερώσει κάτι γύρω απο αυτή την εποχή.

Η ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΕΠΙΠΕΔΩΝΕΙ ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ

Τα τελευταία χρόνια η διαστολή δέχτηκε μια καλοδεχούμενη ώθηση από πολλές ερευνητικές συνεργασίες για την παναταχού παρούσα Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, απομεινάρι ακτινοβολίας από την δημιουργία του σύμπαντος. 'Οπως διαφαίνεται μικρές μεταβολές θερμοκρασίας στην μικροκυματική αυτή κοσμική ακτινοβολία μιλούν πολύ σχετικά για την γεωμετρία του σύμπαντος και την γένεσή του ακριβώς όπως και για την διαστολή.

Η γεωμετρία του σύμπαντος μπορεί να πάρει μιά από τρεις μορφές εξαρτώμενη από την γενική πυκνότητα της ύλης.

Αν η πυκνότητα ισούται με κάποια αξία ονομαζόμενη κρίσιμη πυκνότητα η γεωμετρία είναι επίπεδη, όπως ένα φύλλο χαρτί.

Αν η πυκνότητα είναι πάνω από ή κάτω από το κρίσιμο σημείο η γεωμετρία είναι πραγματικά καμπύλη (όπως η επιφάνεια μιας σφαίρας) ή κυρτή (όπως η επιφάνεια μιας σέλλας) αντίστοιχα.

Οι παρατηρήσεις Πολυκυματικών μηκών (Multiwavelegth) δείχνουν ότι το σύμπαν είναι μάλλον επίπεδο. Επειδή η διαστολή παίρνει μια μικρή ομοιογενή περιοχή του σύμπαντος και διαστέλλει την περιοχή τόσο μέχρις ότου γίνεται επίπεδη επίσης προβλέπει ότι η γεωμετρία του σύμπαντος πρέπει να είναι επίπεδη. Tα πειράματα με το μεγάλου ύψους μπαλόνι Boomerang και Maxima έδειξαν ότι οι διακυμάνσεις που δίνει η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, την διάστικτη ομοιομορφία της συστάδας γύρω από μία μοίρα σε γωνιακό μέγεθος, είναι ένα άλλο χαρακτηριστικό σημείο που υποδεικνύει με αρκετή ισχύ ότι το σύμπαν είναι επίπεδο.

Τί σημαίνει για τον άνθρωπο ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο;

Πώς μπορεί να το προσεγγίσει;

Πόσο χρήσιμο και αναγκαίο τού είναι στην καθημερινή του ζωή;

Ας το συλλογισθεί αυτό ο καθένας.

Ημερομηνία καταχώρησης: 26.4.2007