Ο κόσμος ξαναγεννιέται συνεχώς στο νέο μοντέλο του σύμπαντος

Άρθρο, 25 Απριλίου 2002

Θα μπορούσε να είναι μια φιλοσοφία των ανατολικών γκουρού σχετικά με τον χρόνο -- η άποψη ότι ο χρόνος δεν έχει ούτε μια αρχή ούτε ένα τέλος, και ότι το σύμπαν είναι δρομολογημένο σε έναν διαρκή κύκλο σχηματισμού και διασποράς. Αλλά είναι το πιό πρόσφατο επιστημονικό μοντέλο του κόσμου, και προέρχεται από τους κορυφαίους θεωρητικούς του Πανεπιστημίου Princeton, στο Νιου Τζέρσεϋ, και του Καίμπριτζ της Αγγλίας.

Σε αυτή τη στενή λωρίδα του ουρανού αλλά και σε βάθος όψη του σύμπαντος,   αποκαλύπτει έναν μεγάλο αριθμό γαλαξιών όπως φαίνεται στο ορατό και υπέρυθρο φως από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA.

Αυτό το νέο, κυκλικό μοντέλο του κόσμου προσφέρει μια ελκυστική εναλλακτική λύση στην επικρατούσα θεωρία της γέννησης και εξέλιξης, σύμφωνα με τον Paul J. Steinhardt, έναν θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο Princeton. "Προβλέπει όλα τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του Καθιερωμένου Μοντέλου, χρησιμοποιώντας λιγότερα συστατικά," είπε.

Ο Steinhardt και ο συνάδελφός του Neil Turok του Πανεπιστημίου του Καίμπριτζ πρότειναν το νέο μοντέλο σε ένα έγγραφο, που δημοσιεύτηκε στις 25 Απριλίου, στην ιστοσελίδα του περιοδικού Science.

Στο ευρύτατα αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο, που καλείται πληθωριστικό μοντέλο, το σύμπαν γεννήθηκε με μια στιγμιαία δημιουργία της ύλης και της ενέργειας γνωστή ως Μεγάλη Έκρηξη. Καθώς ο κόσμος έχει διογκωθεί από εκείνο το γεγονός, η ύλη και η ενέργεια ξεπήδησαν σε μεγάλους όγκους. Η διάδοση αυτή θα μπορούσε ενδεχομένως να συνεχιστεί για πάντα.

"Η ιδέα του πληθωρισμού έχει μεγάλη επίδραση," σημείωσε ο Robert P. Kirshner, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Καμιά παρατήρηση δεν την έχει αποδείξει λανθασμένη." Αλλά, πρόσθεσε, "αυτό, φυσικά, δεν σημαίνει ότι είναι και σωστή."

Εντούτοις, η πληθωριστική θεωρία έχει επιζήσει από τότε που εισήχθη προς το τέλος της δεκαετίας του '70, ενώ οι κοσμολόγοι έουν απορρίψει τις ανταγωνιστικές της θεωρίες μία προς μία.

Νέος θεωρητικός ανταγωνισμός

Ο Steinhardt ήταν ένας από τους θεωρητικούς υπεύθυνους για την επινόηση του πληθωριστικού μοντέλου πριν από 20 έτη περίπου. "Το να έχεις περισσότερες από μια θεωρίες είναι πολύ σημαντικό για τη δραστηροποίηση νέων πειραμάτων," είπε.

Αν και αυτός διεγείρεται από τις πιθανές επιπτώσεις του νέου μοντέλου, ο Steinhardt απέφυγε να στοιχηματίσει εάν αυτό ή το συμβατικό μοντέλο είναι περισσότερο αντιπροσωπευτικό της φύσης του σύμπαντος.

"Το συμβατικό μοντέλο έχει βγεί θεαματικά καλά," είπε, προσθέτοντας ότι εντούτοις από καιρό έχει αναρωτηθεί εάν ένα διαφορετικό μοντέλο μπορεί να εξηγήσει τον κόσμο εξίσου καλά -- ή ίσως και καλύτερα. "Αυτό ήταν που μας έκανε να αρχίσουμε αυτήν την περιπέτεια," είπε.

Ο Steinhardt είπε ότι διάφορα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του σύμπαντος μπορούν να εξηγηθούν καλύτερα από το κυκλικό μοντέλο, συμπεριλαμβανομένης της γεωμετρίας του σύμπαντος, τη γενική ομοιομορφία του, και, ειδικότερα, την ύπαρξη ενός φαινομένου γνωστού ως επιτάχυνση της διαστολής.

Τα πρόσφατα συγκεντρωμένα στοιχεία από τα εκραγέντα, νεκρά αστέρια που λέγονται σουπερνόβες έχουν αποκαλύψει ότι το σύμπαν όχι μόνο επεκτείνεται, όπως προβλέπεται, αλλά ότι ο ρυθμός διαστολής του επιταχύνεται. Η μόνη δύναμη που θα μπορούσε να εξηγήσει τέτοια κοσμική επιτάχυνση είναι μια πηγή ενέργειας, μη ορατή ή ακόμη μη προσδιοριζομένη από τους επιστήμονες, η οποία διαπερνά ολόκληρο τον κόσμο. Οι φυσικοί έχουν μεταγλωττίσει αυτή τη μυστήρια δύναμη σαν "σκοτεινή ενέργεια."

Αυτή η ανακάλυψη της επιτάχυνσης, λίγα χρόνια πριν, και η ελλοχεύουσα σκοτεινή ενέργεια αποτέλεσε έκπληξη στους επιστήμονες επειδή το Καθιερωμένο μοντέλο δεν πρόβλεπε τέτοια χαρακτηριστικά γνωρίσματα.

Το νέο μοντέλο όμως προσφέρει μια βελτιωμένη εναλλακτική λύση. Μεταχειρίζεται το Big Bang όχι ως την αληθινή στιγμή της δημιουργίας, αλλά ως τη μετάβαση μεταξύ δύο κύκλων σε μια ατελείωτη διαδικασία κοσμολογικής αναγέννησης.

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, η Μεγάλη Έκρηξη ακολουθείται από μια περίοδο αργής διαστολής και βαθμιαίας συσσώρευσης της σκοτεινής ενέργειας. Καθώς η σκοτεινή ενέργεια γίνεται κυρίαρχη, υποκινεί την κοσμική επιτάχυνση. Η σημερινή εποχή είναι κοντά στη μετάβαση μεταξύ αυτών των σταδίων, σύμφωνα με τον Steinhardt.

"Ο χρόνος δεν χρειάζεται να έχει μια αρχή, δεν είναι απαραίτητη" λέει ο Steinhardt. Είπε ότι αυτό που οι επιστήμονες νομίζουν ως την αυγή του χρόνου, στην πραγματικότητα, μπορεί να είναι μόνο μια μετάβαση ή ένα στάδιο της εξέλιξης από μια προϋπάρχουσα φάση στην παρούσα διαστελλόμενη φάση. Η ηλικία του σύμπαντος, όπως υπολογίζεται σήμερα ισοδυναμεί με ένα κλείσιμο του ματιού, βάσει της νέας θεωρίας του κυκλικού σύμπαντος.

Το κυκλικό σύμπαν έχει τις ρίζες του σε ακόμη πιο σύνθετες σκέψεις αυτές τις θεωρίας των υπερχορδών, που υποθέτουν πως υπάρχουν 10 χωρικές διαστάσεις, όχι τρεις που μέχρι τώρα γνωρίζουμε. Η φαινομενική ανεξήγητη φυσική της Μεγάλης Σύνθλιψης και Μεγάλης Έκρηξης μπορεί να εξηγηθεί με τη βοήθεια αυτών των extra διαστάσεων, που έτσι και αλλιώς είναι αόρατες σε μας, όπως πιστεύουν αρκετοί θεωρητικοί φυσικοί.

Στην πράξη, ο Steinhardt, Turok και άλλοι πρότειναν την περασμένη χρονιά πως το σύμπαν μας μπορεί να έχει δημιουργηθεί από την σύγκρουση των extra διαστάσεων, μια ιδέα που ονομάζεται το Εκπυρωτικό Σύμπαν. Το κυκλικό σύμπαν κτίσθηκε πάνω σε αυτήν την προηγούμενη εργασία αλλά, όπως λέει ο Steinhardt, η νέα εργασία εξηγεί καλύτερα  τις παρατηρήσεις του παρόντος σύμπαντος.

Άλλοι όμως θεωρητικοί φυσικοί δεν εγκαταλείπουν τόσο γρήγορα το καθιερωμένο μοντέλο και αυτό το ξέρει ο Steinhardt. Γι΄αυτό και περιμένει να δοθούν μεγάλες μάχες για την επικράτηση του κυκλικού σύμπαντος.

Κοσμική συστολή

Καθώς η επιταχυνόμενη διαστολή προχωρά κατά τη διάρκεια τρισεκατομμυρίων ετών, η ύλη και η ενέργεια βαθμιαία λεπταίνουν καθώς τεντώνονται κατά μήκος του σύμπαντος.

Τελικά, ύλη, ακτινοβολία, και ακόμη και μαύρες τρύπες τεντώνονται τόσο πολύ που αυτά όλα διαλύονται στο τίποτα σχεδόν, αφήνοντας πίσω τους ένα ογκώδες σύμπαν που ουσιαστικά είναι κενό, εξηγεί ο  Steinhardt.

Σε αυτό το σημείο του αέναου κύκλου, τα σωματίδια της ύλης είναι τόσο μακρυά μεταξύ τους-- και κινούνται μακρυά το ένα από το άλλο τόσο γρήγορα -- που δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν και έτσι τελικά είναι σαν να βρίσκονται σε χωριστούς,   ευδιάκριτους κόσμους.

Ο Steinhardt και ο Turok καλούν αυτό το στάδιο σαν το κενό "big crunch" (μεγάλη συστολή). Το κενό προκαλεί τη σκοτεινή ενέργεια να υλοποιηθεί σε ύλη και ακτινοβολία σε ένα άλλο Big Bang, με την αναζωογόνηση έτσι του κύκλου της διαστολής.

Άλλοι επιστήμονες όμως ενώ συζητούν αυτό το νέο μοντέλο, δεν τους έχει κερδίσει ακόμα.

Το νέο μοντέλο, λέει ο Kirshner "είναι ιδιαίτερα θεωρητικό, αλλά δεν είναι αδιανόητο".

Για να εξετάσει κάποιος αυτές τις δύο θεωρίες, τη μια ενάντια στην άλλη, θα πάρει κάποιο χρόνο. Ο Steinhardt έχει ήδη μερικές ιδέες για το πώς θα μπορούσε να γίνει.

Παραδείγματος χάριν, τα κύματα βαρύτητας, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του σύμπαντος που προβλέπεται από τη Γενική Σχετικότητα, θα ελάμβαναν μια διαφορετική μορφή σε αυτά τα δύο μοντέλα. Δεν θα υπήρχαν κύματα βαρύτητας με μεγάλα μήκη κύματος σε έναν κυκλικό κόσμο, ενώ θα υπήρχαν σε ένα πληθωριστικό σύμπαν.

Υπάρχουν προσπάθειες που είναι εν εξελίξει για να μετρήσουν και να χαρακτηρίσουν τα κύματα βαρύτητας, αλλά θα διαρκέσουν πιθανώς αρκετά έτη για να συγκεντρωθούν χρήσιμα στοιχεία. Ο δορυφόρος Planck που σχεδιάζεται να προωθηθεί από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Αντιπροσωπεία για το 2008 μπορεί να βοηθήσει ώστε να τεθούν αυτά τα ερωτήματα, λέει ο Steinhardt.

Εξωτική σκοτεινή ενέργεια

Οι επιστήμονες που ευνοούν το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης βλέπουν την διαστολή του σύμπαντος να κυβερνάται από το ποσό και τα είδη της ενέργειας που την περιλαμβάνουν. Εάν αυτή η ενέργεια είναι το είδος που ξέρουμε καλά πάνω στη Γη -- η βαρυτική ελκτική ενέργεια που συσπειρώνει τους γαλαξίες, τα αστέρια και τους πλανήτες -- αυτή τείνει να επιβραδύνει την διαστολή.

Αλλά εάν είναι ένα μυστηριώδες είδος βαρυτικής αυτο-απωθητικής ενέργειας, γνωστή και ως σκοτεινή ενέργεια, τότε αυτή θα έτεινε να επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος.

Οι αστρονόμοι και οι άλλοι που ερωτώνται πάνω σε αυτή την ερώτηση έχουν δυσκολίες τα τελευταία χρόνια να εξηγήσουν γιατί η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται κατά τη διάρκεια των τελευταίων δισεκατομμυρίων ετών μετά από μια μακροχρόνια επιβράδυνση.

Οι παράξενες ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας θα μπορούσαν να είναι αρμόδιοι γι' αυτό το ζήτημα.

"Μπορούμε να δούμε, και άμεσα και έμμεσα, ότι το μεγαλύτερο μέρος της ουσίας στον κόσμο δεν αποτελείται από τη συνηθισμένη ύλη, ούτε από τη σκοτεινή ύλη (μαύρες τρύπες, καφέ νάνοι κλπ), αλλά κάποια άλλη τρίτη μορφή," είπε.

"Και μπορούμε να δούμε ότι η αναλογία είναι κατά προσέγγιση 70-30 -- 70 τοις εκατό εξωτικής ουσίας, 30 τοις εκατό συνηθισμένης ουσίας."   συνέχισε ο Steinhardt.

Αυτή που ο Steinhardt ονομάζει συνηθισμένη ουσία είναι αυτή που επιτρέπει την πιό αργή διαστολή του κόσμου, η οποία επιτρέπει στη βαρύτητα να δημιουργήσει τους γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες, συμπεριλαμβανομένης και της Γης. Η επιταχυνόμενη διαστολή καθοδηγείται από τη σκοτεινή ενέργεια, που αναγκάζει όλα αυτά τα σώματα να φύγουν μακριά προτού να μπορέσει να συγχωνευτούν.

"Αυτή η ουσία, μόλις πάρει τον έλεγχο του σύμπαντος, ωθεί όλα τα σώματα μακριά με έναν επιταχυνόμενο ρυθμό," είπε. "Έτσι ο κόσμος θα διπλασιάζεται σε μέγεθος κάθε 14 έως 15 δισεκατομμύριο έτη εφ' όσον υπάρχει αυτή η αυτο-απωστική βαρυτική ενέργεια που εξουσιάζει τον κόσμο."

Η μεγάλη κρίσιμη στιγμή (μεγάλη σύνθλιψη) έρχεται όταν αλλάζει ο χαρακτήρας της σκοτεινής ενέργειας, σύμφωνα με τον Steinhardt. Παρομοίασε το φαινόμενο με μια σφαίρα που κυλά προς τα κάτω σε έναν λόφο, αυξάνοντας την ταχύτητα της καθώς πηγαίνει εμπρός.

"Αυτό το πεδίο της σκοτεινής ενέργειας κερδίζει συνεχώς ενέργεια καθώς κυλά κάτω στο λόφο, η φύση της δύναμης που ελέγχει αυτή την αναγκάζει να αναπηδήσει και να επιστρέψει εκεί από όπου άρχισε, πέρα δώθε με ένα πολύ ανώμαλο τρόπο," συνέχισε ο Steinhardt.

"Είναι ιδιότροπη αλλά δεν είναι πιο ιδιότροπη από όσο η καθιερωμένη εικόνα," είπε. "Είναι ακριβώς διαφορετική."

Πριν περίπου 2.300 χρόνια ο φιλόσοφος Ζήνων ο Κιτιεύς από την Κύπρο, ιδρυτής της σχολής των Στωικών, είχε δώσει μιαν αρκετά διαφορετική εξήγηση για την κοσμογονία:

«Κατά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα το Σύμπαν ολόκληρο εκπυρώνεται και ανασυντίθεται εκ νέου».

Μια ανακύκλωση, δηλαδή, με εκπύρωση. Από αυτή την ιδέα οι θεμελιωτές της θεωρίας του ανακυκλούμενου Σύμπαντος βάφτισαν το ανασυσταθέν Σύμπαν «εκπυρωτικό». Στη θεωρία τους διαβλέπουν όντως μια αέναη αλυσίδα αναγεννήσεων, όμοια με αυτήν που διεπίστωσε μαθηματικά ο Αστεκάρ, από σύμπαντα που πορεύονται άχρι θανάτου και ανασταίνονται διαστελλόμενα, για να ξαναρχίσει ο κύκλος της ζωής τους