1η θεωρία για την προέλευση και την εξέλιξη του Σύμπαντος

Άρθρο, Μάρτιος 2007

1η θεωρία: Δεν υπήρξε ποτέ καμία αρχή του Κόσμου και δεν θα υπάρξει ποτέ κανένα τέλος του

Μεταξύ των βαθύτερων φιλοσοφικών ζητημάτων στη σύγχρονη φυσική είναι για την προέλευση και το σχηματισμού του σύμπαντος. Οι προηγούμενες προσπάθειες να διατυπωθεί μια απάντηση που να λαμβάνει υπόψη τις υπάρχουσες θεωρίες και τις παρατηρήσεις έχουν αποτύχει λόγω των εμποδίων που τίθενται από τη βαρύτητα. Όμως ένα νέο μοντέλο που έχει δει το φως της δημοσιότητας, η κβαντική βαρύτητα βρόχων, συγχωνεύει με επιτυχία τις τρέχουσες ιδέες, και έτσι μπορεί να επιτρέψει στους φυσικούς να υπερνικήσουν τις δυσκολίες συγχώνευσης της βαρύτητας στο κβαντικό πλαίσιο.

Εάν ο Κόσμος υπήρχε από πάντα, τότε το θέμα της αρχής του είναι χωρίς νόημα. Εντούτοις, οι φυσικοί συμφωνούν σχεδόν ομόφωνα ότι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης  είναι σωστή. Γι αυτό και αναζητούν μια εξήγηση για αυτήν την αρχή.

Πριν δύο χρόνια προτάθηκε από το Martin Bojowald, του Ινστιτούτου Max Planck για τη Φυσική της Βαρύτητας, μια νέα θεωρία που κάνει χρήση της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων (LQG). Η κβαντική βαρύτητα βρόχων είναι μια προσπάθεια να ενοποιηθούν οι δύο πιο πετυχημένες θεωρίες του εικοστού αιώνα: η θεωρία της σχετικότητας του Einstein και η επανάσταση της κβαντικής μηχανικής. Οι δύο θεωρίες είναι πλήρως ασυμβίβαστες, όμως και οι δύο έχουν αποδειχθεί πειραματικά. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων προσπαθεί να εφαρμόσει την ενοποίηση αρχίζοντας από τη σχετικότητα και προσπαθώντας να την προσθέσει στην κβαντομηχανική φύση των πραγμάτων. Και κατέληξε να περιγράφει το χωροχρόνο ως ένα άθροισμα αφάνταστα μικροσκοπικών βρόχων, που είναι πάρα πολύ μικροί για να τους δούμε και να τους ανιχνεύσουμε ποτέ. Ο Martin Bojowald με τη θεωρία του έδειξε πώς θα είχε δημιουργηθεί ο Κόσμος μας εάν είναι σωστή η θεωρία LQG.

Ένα πράγμα με το οποίο οι περισσότερες θεωρίες για την ενοποίηση της σχετικότητας με την κβαντομηχανική συμφωνούν είναι ότι υπάρχει ένα ελάχιστο όριο στη μέτρηση του χώρου και του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι κατά την διάρκεια του big bang, ο χώρος δεν θα ήταν δυνατόν να είναι απείρως μικρό επειδή υπάρχει ένα σαφές όριο στη διάσταση του. Ο Bojowald λοιπόν εκμεταλλεύεται αυτήν την ιδέα και συμπέρανε ότι το σύμπαν δεν είχε ποτέ καμιά αρχή.

Και δίνει το εξής παράδειγμα για να το εξηγήσει. Φανταστείτε ένα μπαλόνι που το φουσκώνετε και γίνεται έτσι μια τέλεια σφαίρα, και έπειτα την ξεφουσκώνετε. Εάν το μπαλόνι γίνει πολύ μικρό και συνεχίσετε να το ξεφουσκώνεται, τότε θα γυρίσει το μέσα έξω και το μπαλόνι θα ξαναφουσκώσει, με όλα τα σημεία του που ήταν αρχικά στο εσωτερικό του τώρα να είναι στο εξωτερικό του. Με άλλα λόγια, τα αντικείμενα αντιστρέφονται.

Ο Bojowald εξηγεί ότι το ίδιο πράγμα ισχύει και για το σύμπαν. Δεν είχε καμία αρχή και ήταν απείρως μεγάλο. Κάποια στιγμή άρχισε να γίνεται ολοένα και πιο μικρό μέχρι, μετά από ένα άπειρο χρονικό διάστημα, υπήρξε μια "Μεγάλη Σύνθλιψη", ακριβώς όπως με το μπαλόνι. Το αριστερό και το δεξιό αντιστράφηκαν και έγινε τότε η Μεγάλη Έκρηξη, που επεκτάθηκε πάλι για να παραγάγει τον Κόσμο που ξέρουμε σήμερα. Η γεωμετρία αυτού του Κόσμου ονομάζεται "χωρόχρονος de Sitter", από τον ολλανδό αστρονόμο Willem de Sitter.

Τώρα είναι δικαιολογημένο να σκεφτεί κάποιος, η αντιστροφή από τα αριστερά προς τα δεξιά κάνει πραγματικά κάποια διαφορά; Και η απάντηση είναι ότι κατά ένα μεγάλο μέρος, όχι. Αλλά υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις, και αυτό οφείλεται στις παραβιάσεις της συμμετρίας CP. Αυτή η παραβίαση εμπλέκει ορισμένες ιδιότητες των νετρίνων και των καονίων. Κατά συνέπεια, η Μεγάλη Έκρηξη θα είχε αφήσει σημάδια όταν αντιστράφηκαν αυτές οι ιδιότητες.

Ένα πλεονέκτημα αυτής της θεωρίας για την προέλευση του σύμπαντος είναι ότι εξηγεί συστηματικά τη θεωρία του πληθωρισμού, που προτάθηκε αρχικά από το φυσικό Alan Guth. Αυτή η θεωρία δηλώνει ότι αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν υποβλήθηκε σε μια περίοδο εξαιρετικά γρήγορης επέκτασης. Η θεωρία του Bojowald εξηγεί αυτή την γρήγορη διαστολή λόγω της φύσης του χώρου που προβλέπει η κβαντική βαρύτητα βρόχων (LQG). Στο μοντέλο της LQG, ο χώρος είναι κοκκώδης και με βρόχους. Το γεγονός αυτό θα απέτρεπε στον Κόσμο να επεκταθεί ομαλά, και έτσι θα επεκτεινόταν με σύντομες μεγάλες εκρήξεις, ακριβώς όπως ο πληθωρισμός λέει ότι έγινε.

Το 2006 ο Abhay Ashtekar υποστήριξε επίσης ότι σύμφωνα με την κβαντική βαρύτητα βρόχων,  αποφεύγεται η ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτό που βρήκε ήταν ότι πριν το Big Bang υπήρχε ένα άλλο σύμπαν που κατάρρευσε. Δεδομένου ότι η βαρύτητα γίνεται απωθητική κοντά στην πυκνότητα Planck σύμφωνα με τις προσομοιώσεις τους, το γεγονός αυτό οδήγησε σε μια "Μεγάλη Αναπήδηση" (η κατάρρευση ρου προηγούμενου σύμπαντος οδήγησε στην Έκρηξη του νέου) και τη γέννηση του σημερινού Κόσμου.

Η ίδια θεωρία του Bojowald μπορεί επίσης να εξηγήσει και τι συμβαίνει στην καρδιά των μαύρων οπών, δεδομένου ότι οι μαύρες τρύπες έχουν επίσης μια "ιδιομορφία" - το σημείο στο οποίο συμβατικά θεωρείται ότι η ύλη είναι απείρως μικρή και πυκνή, ακριβώς όπως έχει περιγραφεί ότι συνέβαινε στη Μεγάλη Έκρηξη. Εάν χρησιμοποιήσετε το ίδιο μοντέλο με τις μαύρες τρύπες, διαπιστώνετε ότι επίσης "επαναδιογκώνονται" από την άλλη πλευρά, αναδυόμενες σε κάτι που μπορεί να περιγραφεί μόνο ως ένας άλλος Κόσμος. Εάν θα μπορούσατε να πλοηγηθείτε μέσω του ενός σύμπαντος, πιθανώς θα βγαίνατε από μια μαύρη τρύπα σε αυτήν την εναλλακτική πραγματικότητα - και αυτές οι δομές ονομάζονται γενικά ως "λευκές τρύπες".

Μήπως υπάρχουν αποδείξεις για αυτήν την θεωρία;

Προς το παρόν δεν υπάρχει τίποτα, αλλά η NASA προγραμματίζει να προωθήσει ένα νέο τηλεσκόπιο τέλος του 2007,  το GLAST, για την έρευνα ακτίνων γάμμα. Αυτό το τηλεσκόπιο θα παρακολουθήσει φωτόνια ακτίνων γάμμα από πολύ μεγάλες αποστάσεις. Κι αυτό το πείραμα το έχει προτείνει ο Giovanni Amelino-Camelia του Χάρβαρντ. Εάν η κβαντική βαρύτητα βρόχων είναι σωστή, τότε αυτά τα φωτόνια θα έχουν ακολουθήσει διαφορετικές διαδρομές στον χώρο γιατί ο χωροχρόνος έχει 'βρόχους' , άρα θα φτάνουν με διαφορετική ταυτότητα στη Γη έστω κι αν ξεκίνησαν με το ίδιο χρώμα. Το παρατηρητήριο GLAST πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσει αυτήν την επίδραση. Μέχρι ενός ορισμένου βαθμού, το κβαντικό διάστημα μπορεί να θεωρηθεί ως ανάλογο με ένα κρύσταλλο, το οποίο, μέσω της ατομικής δομής του, αλλάζει τη διάδοση του φωτός σε σχέση με τη διάδοση που θα είχε το φως μέσα στο κενό.

Άλλα στοιχεία θα μπορούσαν να προέλθουν από τις παρατηρήσεις των λευκών οπών. Εάν η θεωρία του Bojowald είναι σωστή, θα μπορούσαμε να δούμε ύλη να ξεπηδάει από κοσμικές δομές που μοιάζουν με τις μαύρες τρύπες - δηλ. τις άλλες άκρες των μαύρων οπών από άλλα σύμπαντα. Μέχρι τώρα, καμία τέτοια οντότητα δεν έχει παρατηρηθεί σε αυτόν τον Κόσμο, αλλά προφανώς αυτό δεν σημαίνει ότι η θεωρία κάνει λάθος. Οι λευκές τρύπες μπορούν να είναι απλώς πέρα από το εύρος των τηλεσκοπίων μας. 

Η ακτινοβολία από μακρινές κοσμικές εκρήξεις που ονομάζονται εκρήξεις ακτίνων γ είναι πιθανόν να προσφέρει έναν τρόπο για να ελεγχθεί η ορθότητα της κβαντικής βαρύτητας βρόχων.

Τέτοιες εκρήξεις ακτίνων γ σημειώνονται σε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη και συνοδεύονται από την εκπομπή τεράστιων ποσοτήτων ακτίνων γ εντός συντομότατου χρονικού διαστήματος.
Σύμφωνα με την κβαντική βαρύτητα βρόχων, το κάθε φωτόνιο καταλαμβάνει ανά πάσα στιγμή ένα σύνολο συνδεδεμένων μεταξύ τους γραμμών καθώς κινείται δια μέσου του δικτύου σπιν το οποίο είναι ο ίδιος ο χώρος (στην πραγματικότητα, πρόκειται για ένα πολύ μεγάλο πλήθος γραμμών, όχι μόνο για τις πέντε που φαίνονται στην εικόνα).

Σύμφωνα με την κβαντική βαρύτητα βρόχων, η διακριτή φύση του χώρου θα έχει ως αποτέλεσμα οι ακτίνες γ με υψηλότερη ενέργεια να ταξιδεύουν ελαφρώς ταχύτερα από εκείνες με χαμηλότερη.

Η διαφορά ταχύτητας είναι μικροσκοπική, αλλά τα αποτελέσματα της συσσωρεύονται σταθερά κατά το ταξίδι των ακτίνων γ, οι οποίες διανύουν δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Έτσι, εάν παρατηρηθεί ότι οι ακτίνες γ μιας έκρηξης φτάνουν στη Γη σε χρόνους που διαφέρουν ελαφρώς, ανάλογα με την ενέργεια τους, το γεγονός αυτό θα συνιστούσε ένδειξη υπέρ της κβαντικής βαρύτητας βρόχων.

Home