ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΕΤΑΙΡΙΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ  ΥΨΗΛΩΝ  ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ
ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΕΚΛΑΪΚΕΥΣΗΣ 
OUTREACH GROUP

 
Προκαλώντας τη Μεγάλη Εκρηξη:
μία μεγαλύτερη ιστορία του χρόνου Σύμφωνα με το συμβατικό δόγμα, η Μεγάλη Εκρηξη υπήρξε η αρχή των πάντων. Στο άρθρο αυτό, ο Gabriele Veneziano (CERN) προκαλεί αυτή την άποψη. Πιστεύει ότι η Μεγάλη Εκρηξη είναι το μεγαλύτερο γεγονός που έχει αντικρύσει το σύμπαν, αλλά δεν συνέβη την χρονική στιγμή μηδέν.
 
Η ιδέα ότι το σύμπαν, και ο ίδιος ο χρόνος, προήλθε από μία αρχέγονη έκρηξη -τη Μεγάλη Εκρηξη- ξεπέρασε τα σύνορα της επιστημονικής γνώσης και έγινε το θεμέλιο του σύγχρονου πολιτισμού. Είναι όμως αυτή η πεποίθηση απόλυτα δικαιολογημένη; Μια εναλλακτική εξήγηση, η οποία υποδεικνύεται από τις πρόσφατες εξελίξεις της θεωρητικής φυσικής, πρεσβεύει ότι η Μεγάλη Εκρηξη, αν και πιθανότατα η πλέον δραματική, ήταν μία από πολλές μεταβολές στην ιστορία του σύμπαντος.
Κοσμολογική πιθανότητα. Για να εξηγήσουμε το σύμπαν μας χρησιμοποιώντας την καθιερωμένη κοσμολογία, οι αρχικές συνθήκες πρέπει να είναι πολύ συγκεκριμένες και να αντιστοιχούν σ’ ένα παράλογα μικρό υποσύνολο όλων των δυνατών συνδυασμών. 
Σ’ αυτό το νέο σενάριο μία μακρά προϊστορία προετοίμασε τη Μεγάλη Εκρηξη περίπου με τον ίδιο τρόπο που μεγάλες περίοδοι σταθερής εξέλιξης προηγούνται της κατάρρευσης ή έκρηξης των αστέρων. Ομως ποιό είναι το λάθος του παραδοσιακού δόγματος;
 
Ιδιομορφία
Η καθιερωμένη κοσμολογία, η οποία βασίζεται στην Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Einstein, πρεσβεύει ότι πριν από περίπου 10 δισεκατομύρια χρόνια το σύμπαν ήταν απλώς ένα μαθηματικό σημείο. Ως τέτοιο, δεν είχε μόνο ακριβώς μηδενικό μέγεθος, αλλά φυσικές ποσότητες όπως η θερμοκρασία, η πυκνότητα ενέργειας, η πίεση - και η προκύπτουσα καμπυλότητα του χωρόχρονου - ήταν άπειρες. Πράγματι, η Μεγάλη Εκρηξη αποτελεί το πλέον δραματικό παράδειγμα ενός φαινομένου που συχνά ανακύπτει σε θεωρίες πεδίου όπως η Γενική Σχετικότητα, όταν η ικανότητα πρόβλεψης της θεωρίας καταρρέει. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως ιδιομορφία. Το ερώτημα τί συνέβη πριν την χρονική στιγμή εμφάνισης της ιδιομορφίας, η οποία ορίζεται συμβατικά ως μηδενική στιγμή, δεν έχει νόημα. Δεν υπήρχε “πριν”. Τουλάχιστον αυτό μας είχαν πει.
 
Οταν οι κοσμολόγοι ερωτηθούν πιεστικά παραδέχονται ότι δεν δικαιολογείται η επέκταση των εξισώσεων του Einstein πριν την χρονική στιγμή μηδέν. Ακόμη και οι πιο αισιόδοξοι θα συμφωνήσουν πως ό,τι συνέβη περίπου στα ή και πριν από τα 10-43 δευτερόλεπτα επηρεάσθηκε, σε μεγάλο βαθμό από κβαντικά φαινόμενα τα οποία η Γενική Σχετικότητα εν ευτυχία αγνοεί. (Τα 10-43 δευτερόλεπτα είναι η κλίμακα Planck: χρονική κλίμακα η οποία κατασκευάσθηκε για πρώτη φορά από τον Max Planck μέσω της ταχύτητας του φωτός, της σταθεράς του Planck και της σταθεράς της βαρύτητας του Νεύτωνα. Στις ενέργειες των επιταχυντών, η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο στοιχειωδών σωματιδίων είναι πολύ πιο ασθενής από τις υπόλοιπες δυνάμεις της φυσικής. Ωστόσο στην κλίμακα Planck τα φαινόμενα γίνονται συγκρίσιμα). 
 Ετσι, για να μην διατρέχουμε κανένα κίνδυνο, οφείλουμε να θέτουμε το ερώτημα πώς έμοιαζε το σύμπαν όχι σε t=0, αλλά π.χ. σε t=3*10-43 δευτερόλεπτα, ή και λίγο αργότερα. Αποδεικνύεται ότι η απάντηση προκαλεί αρκετή αμηχανία. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, το πολλών δισεκατομυρίων ετών φωτός σύμπαν το οποίο παρατηρούμε σήμερα είχε τότε διάμετρο μόλις ενός χιλιοστού. Αυτό το μέγεθος παρότι πολύ μικρό σε σύγκριση με τις σημερινές διαστάσεις, ήταν τεράστιο συγκρινόμενο με την άλλη σχετική απόσταση της εποχής: την απόσταση που είχε ταξιδέψει μέχρι τότε το φως: 10-32 εκατοστά. 		  
Κοσμολογικοί Γρίφοι
Ο τεράστιος λόγος, 1031, αυτών των δύο κλιμάκων αποτελεί ταυτόχρονα μυστήριο καθώς και πηγή πολλών άλυτων κοσμολογικών γρίφων (γνωστά ως προβλήματα της ομογένειας, της εντροπίας και της επιπεδότητας). Αυτά τα προβλήματα συνοψίζονται εξαιρετικά από τον Roger Penrose σε ένα παράδειγμα που παρουσιάζει στο εντυπωσιακό βιβλίο του The Emperor’s New Mind (Στμ. Το βιβλίο κυκλοφορεί στα Ελληνικά από τις εκδόσεις Γκοβόστη με τίτλο “Ο Νέος Αυτοκράτορας;”), στο οποίο ο Θεός επιλέγει με αφάνταστη φροντίδα την αρχική κατάσταση του σύμπαντος. Ειδικότερα, αυτή η αρχική κατάσταση έπρεπε να περιέχει μια τεράστια ποσότητα ύλης/ενέργειας κατανεμημένη με πολύ τακτικό τρόπο. Αυτό ήταν τόσο απίθανο όσο να βρει κανείς, την ίδια στιγμή, όλα τα μόρια της Γήινης ατμόσφαιρας πάνω από το Βόρειο Πόλο και πουθενά αλλού.
 
 
Δύο σενάρια για το σύμπαν. Στην κλασική εικόνα της Μεγάλης Εκρηξης (πάνω) το σύμπαν σε κάποιο πρώιμο στάδιο πρέπει να διεστάλη ταχύτερα από μία ακτίνα φωτός (η οποία φαίνεται με μπλε χρώμα). Αυτό απαιτεί τον επιπλέον μηχανισμό του “πληθωρισμού”. Μόνο μ’ αυτό τον τρόπο θα μπορούσαν οι γαλαξίες που εμφανίζονται σήμερα σε αντίθετες πλευρές του ουρανού να “γνωρίζουν” ο ένας την ύπαρξη του άλλου και να κληροδοτούν στο σύμπαν την αξιοσημείωτη ομαλότητά του. 		 Κάθε φορά που ανακύπτουν παρόμοιες καταστάσεις στη φυσική, το προφανές ερώτημα είναι: “Μπορούμε να τις κατανοήσουμε ως αποτέλεσμα μιας εξέλιξης προερχόμενης από κάτι ‘φυσικότερο’;” Ωστόσο, αν υποθέσουμε ότι η Μεγάλη Εκρηξη ήταν η αρχή των πάντων, απλά δεν υπάρχει “παρελθόν” διαθέσιμο σε μας ώστε να υποθέτουμε αυτές τις φυσικότερες αρχικές συνθήκες. Η συνήθης επίλυση τέτοιων κοσμολογικών γρίφων έγκειται στην επίκληση της υπόθεσης ότι κάτι νέο - μια σχετικά μεγάλη περίοδος υπερβολικά ραγδαίας διαστολής του σύμπαντος (πληθωρισμός) - συνέβη μετά τη Μεγάλη Εκρηξη και θεράπευσε τις ατέλειές της. Δυστυχώς, ακόμη και μετά από 18 χρόνια σκληρού έργου η πληθωριστική θεωρία στερείται βαθειάς θεωρητικής κατανόησης, περιλαμβάνει αρκετές αυθαιρεσίες και, ως εκ τούτου, είναι δύσκολο να ελεγχθεί.   

Στην νέα πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη εικόνα, το σύμπαν αρχίζει την εξέλιξή του πριν τη Μεγάλη Εκρηξη και η απαραίτητη αιτιακή επαφή επιτυγχάνεται προκαταβολικά. Απαιτείται ένα διαφορετικό είδος πληθωρισμού και η αρχή του σύμπαντος γίνεται λιγότερο μυστηριώδης. 
 Ως εναλλακτική λύση, οφείλουμε να προσφύγουμε σε διαδικασίες που συνέβησαν γύρω από ή την χρονική στιγμή Planck, όμως σ’ αυτή την περίπτωση, όπως προαναφέρθηκε, πρέπει να συμπεριλάβουμε σημαντικά κβαντικά φαινόμενα. Πράγματι, μοιάζει αρκετά εύλογο ότι το πρόβλημα της ιδιομορφίας και οι γρίφοι της καθιερωμένης κοσμολογίας οφείλουν με κάποιο τρόπο να συνδέονται και να επιλύονται ταυτόχρονα από τα κβαντικά φαινόμενα. Ωστόσο, μέχρι πρό τινος, δεν υπήρχε τρόπος αντιμετώπισης ερωτημάτων αυτού του είδους. Δεν υπήρχε κανένα σχήμα το οποίο να συνδυάζει τη Γενική Σχετικότητα και την κβαντική μηχανική σε μία συνεπή θεωρία κβαντικής βαρύτητας.

Αυτή η κατάσταση άλλαξε πριν από 15 χρόνια περίπου με την άφιξη της θεωρίας υπερχορδών, η οποία αποτέλεσε μια εκ νέου ανάπτυξη ενός μοντέλου που είχε αναπτυχθεί στο CERN πριν από περίπου 30 χρόνια. Ο τρόπος με τον οποίο οι χορδές αντιμετωπίζουν τα προβλήματα που συναντάμε μέσω της συμβατικής προσέγγισης είναι περίπλοκος, αλλά όχι δύσκολος στην περιγραφή του. Στη θεωρία χορδών, τα συμβατικά σημειακά σωματίδια αντικαθίστανται από μικρά μονοδιάστατα αντικείμενα, τα οποία καλούνται χορδές. Το χαρακτηριστικό μέγεθος μιας χορδής, το οποίο υπαγορεύεται από την κβαντική μηχανική, ορίζει, μέσω της ταχύτητας του φωτός, μία χαρακτηριστική κλίμακα χρόνου που αποδεικνύεται ότι είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από την κλίμακα Planck: ts=10-42 δευτερόλεπτα.

Ενα άπειρο παρελθόν
 
  Καθώς προσπαθούμε να περιγράψουμε το πρώιμο σύμπαν στο πλαίσιο της θεωρίας χορδών, βρίσκουμε, χωρίς έκπληξη, ότι η συμβατική Γενική Σχετικότητα πρέπει να τροποποιηθεί ουσιαστικά σε κλίμακες μικρότερες της ts. Λόγω της ενδογενούς κλίμακάς τους, οι χορδές δεν επιτρέπουν στην πυκνότητα, τη θερμοκρασία και την καμπυλότητα να υπερβούν μία (μεγάλη αλλά πεπερασμένη) μέγιστη τιμή και να απειρισθούν. Εχοντας κατά κάποιο τρόπο “ξεφορτωθεί” την προβληματική ιδιομορφία, η θεωρία χορδών μας επιτρέπει να δούμε, πίσω στον χρόνο, πριν τη χρονική στιγμή t=0. Το σύμπαν γίνεται ολοένα και ψυχρότερο, πιο άδειο, περισσότερο επίπεδο και με λιγότερες αλληλεπιδράσεις καθώς ο χρόνος γίνεται ολοένα και πιο αρνητικός, μέχρις ότου φτάσει στην πλήρη κενότητα και μηδενισμό στο ασυμπτωτικό παρελθόν του. 
Το σύμπαν έτσι θα υπάκουε σε μια αρχή του Μηδενισμού στο Ασυμπτωτικό Παρελθόν, η οποία θα προέκυπτε από το απλούστερο δυνατό είδος αρχικών καταστάσεων. Αυτό αποτελεί ένα είδος Κοπερνίκειας Επανάστασης, στον χρόνο και όχι στον χώρο, όταν η Μεγάλη Εκρηξη χάνει το ιστορικό της νόημα ως αρχική χρονική στιγμή για να γίνει ένα ταπεινότερο, αλλά ακόμη αρκετά σημαντικό, σημείο καμπής στην ιστορία του σύμπαντος. Η Μεγάλη Εκρηξη υπήρξε η στιγμή της μέγιστης (αλλά πεπερασμένης) πυκνότητας, θερμοκρασίας και καμπυλότητας. Επιπλέον, η πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη θεωρία αποδεικνύεται αυτόματα πληθωριστική, και επιλύει έτσι τα προβλήματα της καθιερωμένης κοσμολογίας με φυσικό τρόπο. 
Παρότι είναι πολύ ικανοποιητική η εξήγηση της απαρχής του σύμπαντος χωρίς την ανάγκη επίκλησης είτε μίας επινοημένης αρχικής κατάστασης είτε μιας παράξενης πληθωριστικής φάσης, απαραίτητης για τη διόρθωση της “κακής αρχής” του, η νέα πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη θεωρία θα αποτελούσε ιστορία επιστημονικής φαντασίας αν δεν διέθετε πειραματικά παρατηρούμενες συνέπειες. 
Για την ακρίβεια, τα πράγματα δεν είναι έτσι. Οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι πολύ ενισχυμένες κατά τη διάρκεια της πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη πληθωριστικής φάσης. Καθ’ όλη την καθιερωμένη μετά-τη-Μεγάλη Εκρηξη εποχή, αυτές οι διακυμάνσεις προκαλούν μη ομαλές καταστάσεις στο σύμπαν, δημιουργώντας μ’ αυτό τον τρόπο την εμφάνιση μιας πληθώρας φυσικών φαινομένων τα οποία ανοίγουν σήμερα ένα παράθυρο στο πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη σύμπαν. Στα φαινόμενα αυτά ανήκουν: 
 
  • στοχαστικά βαρυτικά κύματα, τα οποία θα μπορούσαν να είναι μετρήσιμα από τους νέας γενιάς συμβολομετρικούς ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων (LIGO, VIRGO) καθώς και από ανιχνευτές συντονισμού (τύπου κεραίας),
  • κοσμικά μαγνητικά πεδία, τα οποία είναι γνωστό ότι βρίσκονται παντού στους γαλαξίες, αλλά η προέλευσή τους παραμένει μυστηριώδης,
 Η νέα πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη θεωρία θα αποτελούσε ιστορία επιστημονικής φαντασίας αν δεν διέθετε πειραματικά παρατηρούμενες συνέπειες. 
  • νέες, χαρακτηριστικές πηγές της δομής μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν, οι οποίες θα ελεγχθούν μέσω μελλοντικών δορυφορικών (MAP, PLANCK) μετρήσεων της ανισοτροπίας του υποβάθρου της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων ή μέσω ακριβών προσδιορισμών της κατανομής γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών,
  • νέα είδη ασθενώς αλληλεπιδρώντων υπολειμμάτων, τα οποία θα μπορούσαν να παρέχουν την ελλείπουσα (σκοτεινή ύλη) συνιστώσα του ενεργειακού ισοζυγίου του σύμπαντος.
 

Gabriele Veneziano, CERN, Περιοδικό CERN Courier, Vol 39(2), Μάρτιος 1999, http://www.cerncourier.com
Μετάφραση: Ανδρομάχη Σπανού, Φυσικός
email: aspanou@atlas.uoa.gr

Περαιτέρω βιβλιογραφία
Μία ενημερωμένη συλλογή άρθρων γύρω από την πριν-τη-Μεγάλη Εκρηξη θεωρία είναι διαθέσιμη στην διεύθυνση http://www.to.infn.it/~gasperin