Ο Μύθος της αρχής του χρόνου
Μέρος 4ο

Άρθρο του Gabriele Veneziano από την ιστοσελίδα Sciam.com, Μάιος 2004

1o , 2ο, 3ο, 4ο,5ο

Δαμάζοντας το άπειρο

Όλες οι μαγικές ιδιότητες των κβαντικών χορδών δείχνουν προς μια κατεύθυνση: οι χορδές αντιπαθούν το άπειρο. Δεν μπορούν να καταρρεύσουν σε σημείο χωρίς διαστάσεις, κι έτσι αποφεύγουμε τα παράδοξα που επιφέρει η κατάρρευση. Το μη μηδενικό τους μέγεθος και οι καινούργιες συμμετρίες θέτουν ανώτατα όρια σε φυσικές ποσότητες που αυξάνουν απεριόριστα στις συμβατικές θεωρίες, και θέτουν επίσης κατώτατα όρια σε ποσότητες που ελαττώνονται. Οι θεωρητικοί των χορδών προσδοκούν ότι αν παίξουμε την ταινία της ιστορίας του σύμπαντος προς τα πίσω στον χρόνο, η καμπυλότητα του χωροχρόνου αρχίζει ν' αυξάνει. Αλλά αντί να φτάσουμε πίσω σε ένα άπειρο (στην παραδοσιακή ανωμαλία του big bang), προοδευτικά φτάνουμε σε ένα μέγιστο και η ελάττωση της καμπυλότητας και της πυκνότητας αρχίζει πάλι. Πριν από την θεωρία χορδών, οι φυσικοί πιέστηκαν πολύ για να βρουν ένα μηχανισμό που θα μπορούσε να εξαλείψει την ανωμαλία. 

Οι συνθήκες κοντά στον χρόνο 0 του big bang ήταν τόσο ακραίες ώστε κανείς ακόμα δεν ξέρει πως να λύσει τις εξισώσεις. Παρόλα αυτά, οι θεωρητικοί των χορδών κάνουν παρακινδυνευμένες προβλέψεις για το σύμπαν πριν από το big bang. Δύο δημοφιλή μοντέλα ξεχωρίζουν. 

Το πρώτο που είναι γνωστό ως σενάριο πριν από το big bang, άρχισα να το επεξεργάζομαι μαζί με τους συνεργάτες μου από το 1991, και συνδυάζει την Τ-δυικότητα με την συμμετρία που γνωρίζουμε καλύτερα, την συμμετρία αντιστροφής του χρόνου, στην οποία οι εξισώσεις της φυσικής ισχύουν το ίδιο καλά όταν εφαρμοστούν είτε προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω στον χρόνο. Ο συνδυασμός αυτός γεννάει δύο νέες δυνατές κοσμολογίες στις οποίες το σύμπαν, ας πούμε 5 δευτερόλεπτα πριν από το big bang διαστελλόταν με τον ίδιο ρυθμό όπως και 5 sec μετά το big bang. Αλλά ο ρυθμός μεταβολής της διαστολής ήταν αντίθετος κατά τις δύο παραπάνω χρονικές στιγμές. Αν μετά το big bang υπήρχε επιβράδυνση, τότε πριν υπήρχε επιτάχυνση. Εν συντομία, το big bang μπορεί να μην ήταν η αρχή του σύμπαντος αλλά απλά μια βίαιη μετάβαση από επιτάχυνση σε επιβράδυνση.

Η ομορφιά της εικόνας είναι ότι αυτόματα ενσωματώνει την μεγάλη σύλληψη της κλασσικής θεωρίας του πληθωρισμού - δηλαδή ότι το σύμπαν έπρεπε να περάσει μια περίοδο επιτάχυνσης για να γίνει ομογενές και ισότροπο όπως μας φαίνεται σήμερα. Στη καθιερωμένη θεωρία, η επιτάχυνση συμβαίνει μετά το big bang και οφείλεται σε ένα πεδίο inflaton το οποίο παραδεχόμαστε αξιωματικά. Στο σενάριο πριν από το big bang, συμβαίνει πριν από το big bang ως φυσικό αποτέλεσμα των καινούργιων συμμετριών της θεωρίας χορδών. 

Σύμφωνα μ' αυτό το σενάριο, το σύμπαν πριν από το big bang ήταν σχεδόν ένα τέλειο κατοπτρικό αντίγραφο του σύμπαντος μετά το big bang. Αν το σύμπαν είναι αιώνιο στο μέλλον και το περιεχόμενό του αραιώνει με την πάροδο του χρόνου, είναι επίσης αιώνιο και ως προς το παρελθόν. Σε άπειρο χρονικό διάστημα πίσω στο χρόνο, ήταν σχεδόν άδειο και περιείχε μόνο ένα ισχνό πολύ αραιωμένο χαοτικό αέριο ακτινοβολίας και ύλης. Οι δυνάμεις της φύσης που ελέγχονταν από το πεδίο dilaton, ήταν τόσο αδύναμες ώστε τα σωματίδια του αερίου αυτού μετά βίας αλληλεπιδρούσαν. 

Καθώς περνούσε ο χρόνος, οι δυνάμεις αύξαναν την έντασή τους και συγκέντρωναν την ύλη. Τυχαία, κάποιες περιοχές συγκέντρωσαν περισσότερη ύλη από τις γειτονικές τους. Προοδευτικά, η πυκνότητα σ' αυτές τις περιοχές έγινε τόσο υψηλή ώστε άρχισαν να σχηματίζονται μαύρες τρύπες. Η ύλη μέσα σ' αυτές τις περιοχές αποκόπηκε από το εξωτερικό τους, και το σύμπαν διασπάστηκε σε περιοχές ασυνεχείς μεταξύ τους. 

Μέσα σε μια μαύρη τρύπα, ο χώρος και ο χρόνος εναλλάσσουν ρόλους. Το κέντρο της μαύρης τρύπας δεν είναι ένα σημείο στο χώρο, αλλά μάλλον μια χρονική στιγμή. Καθώς η καταρρέουσα ύλη πλησίαζε το κέντρο, έφθασε σε όλο και υψηλότερες πυκνότητες. Αλλά όταν η πυκνότητα, η θερμοκρασία και η καμπυλότητα έφτασαν στις μέγιστες τιμές τους που επιτρέπονται από τη θεωρία χορδών, αυτές οι ποσότητες άρχισαν να ελαττώνονται ακολουθώντας αντίστροφη πορεία. Η στιγμή αυτής της αντιστροφής είναι αυτό που αποκαλούμε big bang. Το εσωτερικό μιας από αυτές τις μαύρες τρύπες έγινε το σύμπαν μας.  

Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι ένα τόσο αμφιλεγόμενο σενάριο προκάλεσε διαμάχες. Ο  Andrei Linde του πανεπιστημίου Stanford έχει σχολιάσει ότι για να ταιριάξει αυτό το σενάριο με τις παρατηρήσεις, η μαύρη τρύπα που γέννησε το σύμπαν μας θα έπρεπε να έχει σχηματιστεί με ασυνήθιστα μεγάλο μέγεθος - πολύ μεγαλύτερο από την κλίμακα μηκών της θεωρίας χορδών. Μια απάντηση σ' αυτή την αντίρρηση είναι ότι οι εξισώσεις προβλέπουν όλων των ειδών τα μεγέθη για τις μαύρες τρύπες. Το σύμπαν μας έτυχε να σχηματιστεί μέσα σε μια αρκετά μεγάλη.

Μια πιο σοβαρή αντίρρηση, διατυπωμένη από τον Thibault Damour του ινστιτούτου ανωτέρων σπουδών στο Bures-sur-Yvette, της Γαλλίας και τον Marc Henneaux του ελεύθερου πανεπιστημίου των Βρυξελών, είναι ότι η ύλη και ο χωροχρόνος θα είχαν συμπεριφερθεί χαοτικά κοντά στη στιγμή του bang, πράγμα που έρχεται σε πιθανή αντίθεση με την παρατηρούμενη κανονικότητα του αρχικού σύμπαντος. Πρόσφατα έχω προτείνει ότι μια χαοτική κατάσταση θα παρήγαγε ένα πυκνό αέριο από μίνι "τρύπες-χορδές" - δηλαδή χορδές που ήταν τόσο μικρές και με μεγάλη μάζα ώστε βρίσκονταν στο όριο να γίνουν μαύρες τρύπες. Η συμπεριφορά αυτών των τρυπών θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα που έθεσαν οι Damour και Henneaux. Μια παρόμοια πρόταση έχει γίνει από τους Thomas Banks του πανεπιστημίου Rutgers και Willy Fischler του πανεπιστημίου του Texas στο Austin. Άλλες κριτικές υπάρχουν επίσης, και πρέπει να ξεκαθαριστεί αν έχουν ανακαλύψει ένα μοιραίο σφάλμα στο προτεινόμενο σενάριο. 

Το σενάριο της ύπαρξης μιας εποχής πριν από το big bang. Μια πρωτοποριακή προσπάθεια για να εφαρμοστεί η θεωρία χορδών στην κοσμολογία, ήταν το λεγόμενο σενάριο "πριν από το big bang, σύμφωνα με το οποίο η έκρηξη δεν ήταν η αρχή του σύμπαντος από το τίποτα αλλά μια μετάβαση. Πριν από αυτήν η διαστολή επιταχυνόταν και μετά από αυτήν επιβραδύνθηκε, τουλάχιστον αρχικά. Η τροχιά ενός γαλαξία μέσα από τον χωροχρόνο (άνω εικόνα) έχει το σχήμα ενός ποτηριού κρασιού. 

α. Το Σύμπαν υπήρχε πάντα. Στο μακρινό παρελθόν ήταν σχεδόν άδειο, και δυνάμεις όπως η βαρύτητα ήταν πολύ ασθενικές. 

β. Οι δυνάμεις προοδευτικά μεγάλωσαν και η ύλη άρχισε να συγκεντρώνεται. Σε μερικές περιοχές η συγκέντρωση ενισχύθηκε τόσο που σχηματίστηκαν μαύρες τρύπες. 

γ. Ο χώρος μέσα στην τρύπα διαστάλθηκε με επιταχυνόμενο ρυθμό. Η ύλη μέσα στην τρύπα αποκόπηκε από την εξωτερική ύλη.

δ. Μέσα στην τρύπα, η ύλη συγκεντρώθηκε προς το κέντρο της και αυξήθηκε η πυκνότητά της φθάνοντας το όριο που επέτρεπε η θεωρία χορδών. 

ε. Όταν η ύλη έφτασε τη μέγιστη επιτρεπτή συχνότητα, μια μεγάλη έκρηξη την έκανε να αναπηδήσει σε μια μεγάλη έκρηξη. Εξωτερικά της τρύπας σχηματίστηκαν άλλες τρύπες που εξελίχθηκαν σε ξεχωριστά σύμπαντα.  

1o, 2ο, 3ο, 4ο,5ο