|
|
|
Ο Μύθος της αρχής του χρόνου
|
1o , 2ο, 3ο, 4ο, 5οΟι συγκρουόμενες βράνες Το άλλο κύριο μοντέλο για το σύμπαν πριν από την έκρηξη είναι το εκπυρωτικό σενάριο. Αναπτύχθηκε πριν από 3 χρόνια από μια ομάδα κοσμολόγων και θεωρητικών των χορδών - τους Justin Khoury του πανεπιστημίου Columbia, Paul J. Steinhardt του Princeton, Burt A. Ovrut του πανεπιστημίου της Pennsylvania, Nathan Seiberg του Ινστιτούτου Προχωρημένων Σπουδών του Princeton και Neil Turok του πανεπιστημίου του Cambridge -- το εκπυρωτικό σενάριο στηρίζεται στην ιδέα ότι το σύμπαν μας είναι μια από τις πολλές D-βράνες που επιπλέουν σε ένα χώρο υψηλότερης διάστασης. Οι βράνες ασκούν ελκτικές δυνάμεις η μια στην άλλη, και πότε-πότε συγκρούονται. Το big bang θα μπορούσε να είναι η σύγκρουση μιας άλλης βράνης με τη δική μας. Σε μια παραλλαγή αυτού του σεναρίου, οι συγκρούσεις συμβαίνουν κυκλικά. Δύο βράνες μπορούν να συγκρουστούν, να αποχωριστούν κινούμενες ανεξάρτητα, να έλξει ξανά η μια την άλλη, να ξανασυγκρουστούν κ.ο.κ. Στο ενδιάμεσο των συγκρούσεων, οι βράνες διαστέλλονται καθώς απομακρύνονται και συστέλλονται κάπως όταν ξαναπλησιάζουν. Κατά τη μεταστροφή τους, ο ρυθμός διαστολής επιταχύνεται. Πράγματι, την παρούσα επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος μπορεί να ακολουθήσει μια άλλη σύγκρουση. Το σενάριο πριν από το big bang και το εκπυρωτικό σενάριο έχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά. Και τα δύο αρχίζουν με ένα τεράστιο, ψυχρό, σχεδόν άδει σύμπαν, και τα δύο συναντούν το δύσκολο και άλυτο ακόμη πρόβλημα να εξηγήσουν την μετάβαση από την προ στην μετά την έκρηξη φάση. Μαθηματικά, η κύρια διαφορά μεταξύ των σεναρίων είναι η συμπεριφορά του πεδίου dilaton. Στο σενάριο το πριν από το big bang, το dilaton αρχίζει με μια μικρή τιμή - έτσι ώστε οι δυνάμεις της φύσης να είναι ασθενικές - και σταθερά αυξάνει η έντασή του. Το αντίθετο ισχύει για το εκπυρωτικό σενάριο, στο οποίο η σύγκρουση συμβαίνει όταν οι δυνάμεις είναι στην ασθενέστερη έντασή τους. Οι άνθρωποι που ανέπτυξαν την εκπυρωτική θεωρία, αρχικά έλπιζαν ότι η ασθενικότητα των δυνάμεων θα επέτρεπε να αναλυθεί πιο εύκολα η ανάκρουση των βρανών, αλλά εμφανίστηκε μια κατάσταση υψηλής καμπυλότητας, δύσκολα αναλυόμενη, κι έτσι δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί αν πραγματικά το σενάριο αυτό αποφεύγει την ανωμαλία. Επίσης το εκπυρωτικό σενάριο πρέπει να περιέχει πολύ ειδικές συνθήκες για να λύσει τα συνηθισμένα κοσμολογικά αινίγματα. Για παράδειγμα, οι βράνες που είναι έτοιμες να συγκρουστούν, πρέπει να είναι σχεδόν παράλληλες μεταξύ τους, αλλιώς η κρούση δεν θα οδηγήσει σε μια αρκετά ομογενή έκρηξη (bang). η κυκλική εκδοχή μπορεί να τα καταφέρει να λύσει αυτό το πρόβλημα, μιας και οι διαδοχικές συγκρούσεις θα επιτρέψουν στις βράνες να ευθυγραμμιστούν. Αφήνοντας κατά μέρος το δύσκολο έργο να δικαιολογήσουμε πλήρως αυτά τα δύο σενάρια από μαθηματική άποψη, οι φυσικοί πρέπει να αναρωτηθούν αν τα μοντέλα αυτά έχουν διόλου φυσικές παρατηρήσιμες συνέπειες. Σε πρώτη ματιά, και τα δύο σενάρια μοιάζουν σαν μια άσκηση, όχι στο πεδίο της φυσικής αλλά της μεταφυσικής - ενδιαφέρουσες μεν ιδέες, αλλά δεν θα μπορέσουν ποτέ κάποιοι παρατηρητές να αποδείξουν αν είναι σωστές ή λανθασμένες. Η στάση αυτή είναι πολύ απαισιόδοξη. Όπως και οι λεπτομέρειες της πληθωριστικής φάσης, έτσι και οι λεπτομέρειες της φάσης πριν από το big bang θα έχουν παρατηρήσιμες συνέπειες, ειδικά για τις μικρές μεταβολές που παρατηρούνται στις θερμοκρασίες της ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου. Πρώτον, οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας σχηματίστηκαν από ακουστικά κύματα επί αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Η κανονικότητα των διακυμάνσεων δείχνει ότι τα κύματα ήταν συγχρονισμένα. Οι κοσμολόγοι έχουν απορρίψει πολλά κοσμολογικά μοντέλα με την πάροδο των ετών γιατί αυτά απέτυχαν να εξηγήσουν τον παρατηρούμενο συγχρονισμό. Το πληθωριστικό, το πριν από το big bang και το επυρωτικό σενάριο, περνάνε το πρώτο αυτό τεστ. Στα τρία αυτά μοντέλα, τα κύματα διεγέρθηκαν από κβαντικές διαδικασίες, οι οποίες ενισχύθηκαν κατά την περίοδο της επιταχυνόμενης κοσμικής διαστολής. Οι φάσεις των κυμάτων έγιναν ίδιες.
Αν το σύμπαν μας είναι μια πολυδιάστατη μεμβράνη, ή απλά μια βράνη, που ταξιδεύει μέσα σ' ένα χώρο περισσοτέρων διαστάσεων, το big bang μπορεί να ήταν η σύγκρουση της δικής μας βράνης με μια άλλη παράλληλη. Οι κρούσεις αυτές θα μπορούσαν να συμβαίνουν κυκλικά. Κάθε γαλαξίας ακολουθεί μια τροχιά στο χωροχρόνο σχήματος κλεψύδρας. (Άνω αριστερά εικόνα.) α. Δύο σχεδόν άδειες βράνες έλκονται μεταξύ τους. Καθεμιά συστέλλεται σε διεύθυνση κάθετη στην κίνησή της. β. Οι βράνες συγκρούονται, μετατρέποντας την κινητική τους ενέργεια σε ύλη και ακτινοβολία. γ. Οι βράνες ανακρούονται και αρχίζουν να διαστέλλονται με επιβραδυνόμενο ρυθμό. Η ύλη συγκεντρώνεται σε δομές όπως τα σμήνη των γαλαξιών. δ. Στο κυκλικό μοντέλο, καθώς οι βράνες αποχωρίζονται, η ελκτική δύναμη μεταξύ τους τις επιβραδύνει. Η ύλη αραιώνει. ε. Οι βράνες σταματούν να απομακρύνονται και αρχίζει πάλι να πλησιάζει η μια την άλλη. Σ' αυτή την αντιστροφή, κάθε βράνη διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Δεύτερον, κάθε μοντέλο προβλέπει μια διαφορετική κατανομή διακυμάνσεων θερμοκρασίας σε σχέση με το γωνιακό μέγεθος. Οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι οι διακυμάνσεις σε όλα τα γωνιακά μεγέθη έχουν περίπου το ίδιο πλάτος. Αξιοσημείωτες διαφορές εμφανίζονται μόνο στις πολύ μικρές κλίμακες, για τις οποίες οι πρωταρχικές διακυμάνσεις έχουν αλλάξει με διαδοχικές διαδικασίες). Τα μοντέλα του πληθωρισμού αναπαράγουν ευδιάκριτα αυτή την κατανομή των διακυμάνσεων. Κατά τη φάση του πληθωρισμού, η καμπυλότητα του χώρου μεταβλήθηκε σχετικά αργά, κι έτσι οι διακυμάνσεις διαφορετικών μεγεθών γεννήθηκαν κάτω από τις ίδιες περίπου συνθήκες. Και στα δύο μοντέλα των χορδών, η καμπυλότητα εξελίχθηκε γρήγορα, αυξάνοντας το πλάτος των διακυμάνσεων σε μικρές κλίμακες, αλλά άλλες διαδικασίες αύξησαν τις διακυμάνσεις στις μεγάλες κλίμακες, αφήνοντας τελικά όλες τις διακυμάνσεις με το ίδιο περίπου πλάτος. Για το εκπυρωτικό σενάριο, αυτές οι άλλες διαδικασίες περιλάμβαναν την επιπλέον διάσταση του χώρου, εκείνη που ξεχώρισε τις δύο συγκρουόμενες βράνες. Στο σενάριο πριν από το big bang, αυτές περιλάμβαναν ένα κβαντικό πεδίο το axion, που σχετίζεται με το dilaton. Εν ολίγοις, και τα τρία μοντέλα εξηγούν τα δεδομένα. Τρίτον, οι θερμοκρασιακές μεταβολές μπορούν να προκύψουν από δύο διαφορετικές διαδικασίες κατά το πρώιμο σύμπαν: διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης και ρυτιδώσεις του χωροχρόνου προκαλούμενες από βαρυτικά κύματα. Ο πληθωρισμός περιλαμβάνει και τις δύο διαδικασίες, ενώ το σενάριο πριν από το big bang και το εκπυρωτικό σενάριο κυρίως περιλαμβάνουν τις μεταβολές στην πυκνότητα. Βαρυτικά κύματα διαφόρων μεγεθών θα άφηναν ένα διακριτό αποτύπωμα της υπογραφής τους στην πόλωση της μικροκυματικής ακτινοβολίας. Βλέπε και το άρθρο: "Ηχώ από το Big Bang" των Robert R. Caldwell και Marc Kamionkowski (Scientific American, Ιανουάριος 2001). Τα παρατηρητήρια του μέλλοντος, όπως ο δορυφόρος Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, θα μπορέσουν να δουν αυτή την υπογραφή, αν υπάρχει, εξασφαλίζοντας έτσι έναν οριστικό έλεγχο. Ένας τέταρτος έλεγχος αναφέρεται στη στατιστική των διακυμάνσεων. Στον πληθωρισμό οι διακυμάνσεις ακολουθούν μια κωδωνοειδή καμπύλη, γνωστή στους φυσικούς ως καμπύλη Gauss. Το ίδιο μπορεί να αληθεύει και στο εκπυρωτικό σενάριο, ενώ το σενάριο πριν από το big bang επιτρέπει μια σημαντική απόκλιση από την καμπύλη Γκάους. Η ανάλυση του μικροκυματικού υποβάθρου, δεν είναι ο μόνος τρόπος να ελέγξουμε αυτές τις θεωρίες. Το σενάριο πριν από το big bang θα παρήγαγε επίσης ένα τυχαίο υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων σε μια περιοχή συχνοτήτων η οποία αν και άσχετη προς το μικροκυματικό υπόβαθρο, θα ήταν ανιχνεύσιμη από μελλοντικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων. Επιπλέον επειδή το σενάριο πριν από το big bang και το εκπυρωτικό σενάριο περιλαμβάνουν μεταβολές στο πεδίο dilaton, το οποίο συζεύγνυται με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, και τα δύο θα οδηγούσαν σε μεγάλης κλίμακας διακυμάνσεις μαγνητικού πεδίου. Τα ίχνη αυτών των διακυμάνσεων θα μπορούσαν να αναζητηθούν στα γαλαξιακά και διαγαλαξιακά μαγνητικά πεδία. Τότε λοιπόν, πότε αρχίζει ο χρόνος; Η επιστήμη δεν έχει ακόμη μια τελική απάντηση, αλλά τουλάχιστον δύο ελέγξιμες κατ' αρχήν θεωρίες, λένε ότι το σύμπαν - και συνεπώς ο χρόνος - υπήρχε πολύ πριν από το big bang. Αν κάποιο από τα δύο σενάρια είναι σωστό, ο κόσμος υπήρχε πάντοτε και ακόμη και αν το σύμπαν καταρρεύσει μια μέρα, δεν θα πάψει να υπάρχει. 1o , 2ο, 3ο, 4ο, 5ο |
