4η θεωρία για την προέλευση και την εξέλιξη του Σύμπαντος Το σύμπαν φτιάχτηκε εκ του μηδενός

Άρθρο, Μάρτιος 2007

Θεωρία 4η: Το σύμπαν φτιάχτηκε εκ του μηδενός ή από το κενό

Είναι μια θεωρία που προέρχεται εξ ολοκλήρου από ιδέες της κβαντομηχανικής. Οι υπερασπιστές της έχουν οδηγηθεί στο συμπέρασμα ότι υποατομικά θεμελιώδη σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να δημιουργηθούν από το τίποτα. Με άλλα λόγια, θα μπορούσατε να δημιουργήσετε ένα κενό (ένα χώρο που δεν περιέχει καμιά ύλη) και μέσα σε αυτό θα μπορούσαν να δημιουργηθούν αυθόρμητα σωματίδια.

Υπάρχουν 10⁸⁵ σωματίδια στην περιοχή του ορατού σύμπαντος. Από πού όμως προήλθαν όλα αυτά; Η απάντηση είναι ότι, στην κβαντική θεωρία, τα σωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν από την ενέργεια υπό μορφή ζευγών σωματίων/αντισωματίων. Και τώρα η ερώτηση γίνεται ως εξής: μα από πού προήλθε αυτή η ενέργεια; Η απάντηση είναι ότι η συνολική ενέργεια στο σύμπαν είναι ακριβώς μηδέν.

Η ύλη στο σύμπαν φτιάχνεται από θετική ενέργεια, εντούτοις, όλη η ύλη ελκύεται από τη βαρύτητα. Δύο κομμάτια ύλης που είναι το ένα κοντά στο άλλο έχουν λιγότερη ενέργεια από τα ίδια κομμάτια που είναι μακριά το ένα από το άλλο, επειδή πρέπει να δαπανήσουμε ενέργεια για να τα χωρίσουμε, εξ αιτίας της ελκτικής δύναμης της βαρύτητας. Κατά συνέπεια, από μία άποψη, το βαρυτικό πεδίο έχει αρνητική ενέργεια. Στην περίπτωση ενός σύμπαντος που είναι σχεδόν ομοιόμορφο στο χώρο, αποδεικνύεται ότι αυτή η αρνητική ενέργεια βαρύτητας αντισταθμίζει ακριβώς τη θετική ενέργεια που αντιπροσωπεύεται από την ύλη. Έτσι η συνολική ενέργεια του σύμπαντος είναι μηδέν!

Αλλά υπάρχει και η δυνατότητα της δημιουργία της ύλης από μια κατάσταση μηδενικής ενέργειας. Αυτή προκύπτει επειδή η ενέργεια μπορεί να είναι και θετική και αρνητική. Η κινητική ενέργεια ή η ενέργεια της μάζας είναι πάντα θετική, αλλά η ενέργεια της έλξης, από τη βαρύτητα ή τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, είναι αρνητική.

Είναι γνωστό ότι το βαρυτικό πεδίο στην πραγματικότητα είναι μια κύρτωση του χώρου - ή ένας κυρτός χώρος. Η ενέργεια που 'κλειδώνεται' σε μια κύρτωση του χώρου μπορεί να μετατραπεί σε σωμάτια και αντισωμάτια της ύλης. Το γεγονός αυτό εμφανίζεται, παραδείγματος χάριν, κοντά σε μια μαύρη τρύπα, και πιθανώς ήταν και η σημαντικότερη πηγή σωματιδίων κατά το big bang. Κατά συνέπεια, η ύλη εμφανίζεται αυθόρμητα από το κενό διάστημα. Η ερώτηση που προκύπτει έπειτα είναι αν η Αρχέγονη Έκρηξη κατείχε ενέργεια, ή είναι ολόκληρο το σύμπαν σε κατάσταση μηδενικής ενέργειας, με την ενέργεια όλης της μάζας να αντισταθμίζεται από την αρνητική ενέργεια της βαρύτητας έλξης;

Οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν τις μάζες των γαλαξιών, τη μέση απόσταση που τους χωρίζει και τις ταχύτητες που απομακρύνονται. Αν βάλουμε αυτούς τους αριθμούς σε έναν τύπο, τότε παράγεται μια ποσότητα που μερικοί φυσικοί έχουν ερμηνεύσει ως τη συνολική ενέργεια του σύμπαντος. Το αποτέλεσμα που βγαίνει είναι ότι η συνολική ενέργεια του σύμπαντος είναι μηδέν με την ακρίβεια που παρατηρούμε. Η αιτία για αυτό το ξεχωριστό αποτέλεσμα ήταν από καιρό μια πηγή γρίφου για τους κοσμολόγους. Κάποιοι έχουν προτείνει ότι υπάρχει μια βαθιά κοσμική αρχή σε ισχύ, που απαιτεί το σύμπαν να έχει ακριβώς μηδενική ενέργεια. Εάν αυτό το τελευταίο είναι γεγονός, τότε το σύμπαν μπορεί να αναδυθεί χωρίς να απαιτείται καθόλου κάποια εισαγωγή ύλης ή ενέργειας.

Μόλις δεχτούμε τη μεταβλητότητα της ύλης και τη νέα άποψη για το κενό, μπορούμε να σκεφτούμε και την προέλευση του μεγαλύτερου γεγονότος που ξέρουμε - του σύμπαντος. Ίσως το ίδιο το σύμπαν γεννήθηκε από το τίποτα - από μια γιγαντιαία διακύμανση του κενού την οποία ξέρουμε σήμερα ως Μεγάλη Έκρηξη. Είναι εντυπωσιακό ότι οι νόμοι της σύγχρονης φυσικής επιτρέπουν αυτήν την δυνατότητα.

Στη γενική σχετικότητα, ο χωρόχρονος μπορεί να είναι άδειος από ύλη ή ακτινοβολία, αλλά να περιέχει ενέργεια που αποθηκεύεται στην κυρτότητά του. Χωρίς καμιά αιτία, τυχαίες κβαντικές διακυμάνσεις σε ένα επίπεδο, κενό, συνηθισμένο χωρόχρονο μπορεί να παραγάγουν τοπικές περιοχές με θετική ή αρνητική κυρτότητα. Το γεγονός ονομάζεται "χωροχρονικός αφρός" και οι περιοχές αυτές λέγονται "φυσαλίδες του ψευδοκενού". Οπουδήποτε η κυρτότητα είναι θετική μια φυσαλίδα του ψευδοκενού, σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, θα διογκωθεί εκθετικά. Σε 10^-42 δευτερόλεπτα η φυσαλίδα θα επεκταθεί στο μέγεθος ενός πρωτονίου και η ενέργεια μέσα σε αυτήν θα είναι επαρκής για να παραγάγει τη μάζα όλου του σύμπαντος.

Οι φυσαλίδες αρχίζουν χωρίς ύλη, ακτινοβολία, ή πεδία δυνάμεων και μέγιστη εντροπία. Περιέχουν ενέργεια λόγω της κυρτότητας τους, και είναι έτσι ένα "ψευδοκενό." Καθώς διαστέλλονται, η ενέργεια μέσα τους αυξάνεται εκθετικά. Αυτό δεν παραβιάζει την διατήρηση της ενέργειας δεδομένου ότι το ψευδοκενό έχει μια αρνητική πίεση,  κι έτσι η διαστελλόμενη φυσαλίδα λειτουργεί από μόνη της. Όλα αυτά προκύπτουν φυσικά από τις εξισώσεις που ο Αϊνστάιν έγραψε το 1916.

Καθώς η φυσαλίδα-σύμπαν επεκτείνεται, εμφανίζεται ένα είδος τριβής με την οποία η ενέργεια μετατρέπεται σε σωματίδια. Έπειτα η θερμοκρασία μειώνεται και  εμφανίζεται μια σειρά αυθόρμητων διαδικασιών στις οποίες σπάει η συμμετρία, όπως σε έναν μαγνήτη που ψύχεται κάτω από το σημείο Κιουρί και εμφανίζεται μια βασικά τυχαία δομή των σωματιδίων και των δυνάμεων. Ο πληθωρισμός σταματά και κινούμαστε πια στην γνωστή μας Μεγάλη Έκρηξη.

Οι πρόσφατες εντυπωσιακές θεωρητικές έρευνες φυσικών, όπως ο Steven Weinberg του Χάρβαρντ και Ya. Β. Zel'dovich στη Μόσχα, προτείνουν ότι το σύμπαν ξεκίνησε ως τέλειο κενό και ότι όλα τα σωματίδια του υλικού κόσμου δημιουργήθηκαν από την διαστολή του χώρου. Κατά αυτόν τον τρόπο ξέρουμε τώρα από πού προήλθε η ύλη και η ακτινοβολία στον κόσμο.

Αυτή τη θεωρία της προέλευσης του Κόσμου την υποστηρίζουν πολλοί κβαντικοί φυσικοί, και μπορεί να εξηγηθεί εξ ολοκλήρου με τη γνώση που ήδη έχουμε από την κβαντομηχανική, ενώ δεν χρειαζόμαστε καμία πρόσθετη θεωρητική εργασία ή απόδειξη. Εντούτοις, έχει επικριθεί από πολλούς. Ο J. Richard Gott, καθηγητής της αστροφυσικής στο πανεπιστήμιο του Princeton, καθώς επίσης και ένας συνάδελφος του, ο Li-Xin Li, έχουν υποστηρίξει ότι, θεωρητικά αυτή η, η έννοια του "τίποτα" δεν υπάρχει στην πραγματικότητα. Γιατί υπάρχει μια κβαντική κατάσταση, της υπέρθεσης, η οποία έρχεται σε αντίθεση με την ιδέα ότι ο Κόσμος άρχισε από το Τίποτα και εξελίχθηκε από την ενέργεια που ελευθέρωσαν δύο εικονικά σωματίδια που εξαϋλώθηκαν.

Το κενό στην πιο πάνω θεωρία λειτουργεί σαν μια τράπεζα. Αν κάποιος δεν έχει αρκετά χρήματα, τότε η τράπεζα μπορεί να του δώσει ένα δάνειο, εφ' όσον το ξεπληρώσετε εντός ενός προσυμφωνημένου χρόνου. Τα θεμελιώδη σωματίδια που αναδύονται από το κενό μπορούν να κάνουν το ίδιο πράγμα. Εάν δεν έχουν καμιά ενέργεια (που σημαίνει ότι ότι δεν υπάρχουν), μπορούν να την δανειστούν, εφ' όσον την ξεπληρώσουν πολύ γρήγορα.

Το δύσκολο ζήτημα στην πιο πάνω θεωρία είναι, από πού προήλθε η τράπεζα; Και εκεί στηρίζεται η κριτική της πιο πάνω θεωρίας για την προέλευση του Κόσμου.

Υπάρχουν αποδεικτικά στοιχεία για αυτήν την θεωρία;

Οι αποδείξεις για αυτήν την θεωρία, λένε οι εμπνευστές της. είναι οι ίδιες που αποδεικνύουν την αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg και την παρουσία των εικονικών σωματιδίων. Εδώ και πολύ καιρό, έχουν μετρηθεί τα αποτελέσματα των εικονικών σωματιδίων, και πρέπει συχνά να λαμβάνονται υπόψη έτσι ώστε να μην υπάρχουν λάθη στα πειράματα της φυσικής. Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να υπολογίσουν τη φύση των εικονικών σωματιδίων και άλλων κβαντομηχανικών φαινομένων είναι συχνά τόσο ακριβείς, που σπάνια αποτυγχάνουν να εξηγήσουν τα φυσικά φαινόμενα.