Το σύμπαν φυσαλίδα

Άρθρο, Δεκέμβριος 2008

Αν η θεωρία του πληθωρισμού στην κοσμολογία είναι σωστή, αυτό σημαίνει ότι το σύμπαν είναι πολύ μεγαλύτερο από ό,τι πιστεύαμε. Κατά πάσα πιθανότητα το σύμπαν είναι επίσης πολύ μεγαλύτερο και από την αναθεωρημένη άποψη, γιατί δεν έγινε μόνο ένα αλλά άπειρα big bang.

Η πληθωριστική θεωρία αναπτύχθηκε για να εξηγήσει παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά του σύμπαντος, και είχε σημαντική επιτυχία. Ένα παράδειγμα είναι η φύση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, που οι κοσμολόγοι ερμηνεύουν σαν το χρονικό της ακτινοβολίας που έμεινε από την θερμότητα του ίδιου του big bang.

Αστρονόμοι έχουν κάνει μετρήσεις υψηλής ακρίβειας αυτής της ακτινοβολίας και διαπίστωσαν ότι φθάνει στην Γη με την ίδια ένταση από όλες τις κατευθύνσεις, με εξαιρετική ακρίβεια περίπου 1/1000 του 1%. Ιχνηλατώντας την ιστορία αυτής της ακτινοβολίας πίσω στο χρόνο, οι κοσμολόγοι συμπέραναν ότι η θερμοκρασία και η πυκνότητα της ύλης στο Σύμπαν πρέπει να ήταν ομοιόμορφη με αυτή την ακρίβεια όταν η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου ελευθερώθηκε, περίπου 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Χωρίς τον πληθωρισμού, αυτή η ακραία ομοιογένεια του πρώιμου σύμπαντος έπρεπε να υποτεθεί σαν αξίωμα, δηλαδή δεν μπορούσε να εξηγηθεί. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι, χωρίς τον πληθωρισμό δεν θα υπήρχε αρκετός χρόνος για να γίνει αυτή η σχεδόν ομοιομορφία του Κόσμου, οπότε οι κοσμολόγοι είναι αναγκασμένοι να δεχτούν, χωρίς εξήγηση, ότι το σύμπαν ήταν ομοιόμορφο από την αρχή.

Η θεωρία του πληθωρισμού δέχεται  ότι στις απαρχές του σύμπαντος διογκώθηκε κατά ένα συντελεστή 10⁵⁰. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με το αρχικό μοντέλο του big-bang, το οποίο λέει ότι το σύμπαν επεκτείνεται με όλο και μικρότερο ρυθμό καθώς η βαρύτητα προσπαθεί να τραβήξει όλη την ύλη πίσω. Ο πληθωρισμός σταμάτησε 10^-30 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang, και από τότε το σύμπαν έχει επεκταθεί ακριβώς όπως λέει το μοντέλο του big-bang.

Παρά το όνομα, η κλασική μορφή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης δεν είναι στην πραγματικότητα καμιά θεωρία της Έκρηξης. Στην πραγματικότητα περιγράφει μόνο τι έγινε μετά την Έκρηξη. Περιγράφει πως το πρώιμο, καυτό, πυκνό σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε. Περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο γεννήθηκαν τα ελαφρά χημικά στοιχεία κατά τη διάρκεια αυτής της διαστολής, και πως η ύλη συμπτύχτηκε για να σχηματιστούν οι γαλαξίες και τα άστρα. Δεν λέει όμως τίποτα τι ήταν αυτό που έκανε ή τι προκάλεσε την Έκρηξη, και ως εκ τούτου, δεν κάνει προβλέψεις για την ομοιομορφία του Σύμπαντος, λίγο μετά την Έκρηξη.

Ο πληθωρισμός, από την άλλη πλευρά, μπορεί να εξηγήσει την "έκρηξη" του big bang. Στηρίζεται σε μια πρόταση, με προέλευση τη σύγχρονη φυσική σωματιδίων, ότι εξαιρετικά υψηλές πυκνότητες μπορεί να οδηγήσουν σε μια μορφή ύλης που κάνουν τη βαρύτητα της απωστική και όχι ελκτική.

Για λόγους που δεν αναφέρεται εδώ, αυτή η μορφή της ύλης ονομάζεται "ψευδές κενό." Ο πληθωρισμός είναι η θεωρία ότι η διαστολή του Σύμπαντος που βλέπουμε σήμερα είναι το αποτέλεσμα της απωστικής βαρύτητας του ψευδούς κενού, που γέμιζε το σύμπαν στις απαρχές του, ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά το big bang.

Στην πληθωριστική θεωρία η ακραία ομοιομορφία του σύμπαντος έγινε πολύ νωρίς, προτού αρχίσει ο πληθωρισμός. Εκείνη την εποχή η περιοχή που σήμερα είναι το παρατηρήσιμο σύμπαν ήταν πολύ μικροσκοπικό, πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός πρωτονίου. Για μια τόσο μικρή περιοχή, υπήρχε άφθονος αρκετός χρόνος για να προκύψει η ομοιομορφία, από τις ίδιες διαδικασίες με τις οποίες η ατμόσφαιρα σε ένα δωμάτιο διαδίδεται και καλύπτει ομοιόμορφα όλο τον όγκο του δωματίου. Αφού έγινε αυτή η ομοιομορφία, ο πληθωρισμός ανέλαβε να διασταλεί η περιοχή για να γίνει αρκετά μεγάλη, ώστε να συμπεριλαμβάνει όλα τα αστέρια και τους γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα.

Σύμπαντα φυσαλίδες

Ο πληθωρισμός δεν εξηγεί μόνο την ομοιομορφία που βλέπουμε στην κοσμική ακτινοβολία, αλλά εξηγεί και τις στατιστικές ιδιότητες της πολύ αμυδρής μη ομοιογενούς μικροκυματικής ακτινοβολίας που έχει παρατηρηθεί με πολύ ευαίσθητα όργανα, και τα οποία μπορούν να διακρίνουν διακυμάνσεις κάτω από το 1/1.000 του 1%.

Ενώ ο πληθωρισμός πρέπει να δοκιμαστεί και να κριθεί με βάση τα όσα αναφέρει σχετικά με τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά του σύμπαντος, η περιέργεια οδηγεί τους κοσμολόγους να ρωτήσουν τι λέει ο πληθωρισμός για το σύμπαν ολόκληρο. Η απάντηση της είναι περίεργη.

Η βαρυτική απωστική δύναμη του ψευδούς κενού, που πιστεύεται ότι είναι η αιτία του πληθωρισμού, ήταν τόσο ισχυρή που θα είχε ξεκινήσει μια περίοδο εξαιρετικά ταχείας επέκτασης του μικροσκοπικού σύμπαντος. Το τότε σύμπαν λόγω της ταχύτατης διαστολής θα διπλασιαζόταν σε μέγεθος περίπου κάθε 10^-37 του ενός δευτερολέπτου, φυσικά για όσο χρονικό διάστημα επέζησε το ψευδοκενό. Το ψευδές κενό όμως είναι ασταθές, κι έτσι κάποια στιγμή θα "διασπαστεί", μετατρέποντας την ενέργεια του σε μια καυτή σούπα των απλών σωματιδίων. Από το σημείο αυτό και μετά το σενάριο συμπίπτει με την καθιερωμένη εικόνα του καυτού big bang. Η δραματική διαστολή, ωστόσο, υποδεικνύει ότι το Σύμπαν θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που παρατηρείται σήμερα. Δηλαδή το παρατηρήσιμο σύμπαν θα είναι απλά μια κηλίδα σε ένα πολύ μεγαλύτερο χώρο.

Όμως η όλη ιστορία των απαρχών του Κόσμου είναι πολύ πιο σύνθετη. Το ψευδές κενό είναι ασταθές, αλλά στις περισσότερες εκδόσεις της θεωρίας αυτό διασπάται σαν μια ραδιενεργή ουσία, όπως το ράδιο. Η διάσπαση περιγράφεται από ένα χρόνο ημιζωής ή υποδιπλασιασμού: το μισό του ψευδοκενούς θα παραμείνει μετά από ένα χρόνο ημιζωής, το 1/4 θα παραμείνει μετά από δύο υποδιπλασιασμούς κ.λπ. Ωστόσο, σε αντίθεση με το ραδιενεργό υλικό, το ψευδοκενό θα επεκτείνεται καθώς αυτό θα διασπάται, και η διαστολή θα είναι ταχύτερη από τη διάσπαση. Αν και μόνο το ήμισυ της ψευδούς κενού θα παραμείνει μετά από ένα χρόνο ημιζωής, θα ήταν μεγαλύτερο από την αρχική περιοχή! Το ψευδές κενό ποτέ δεν θα εξαφανιστεί, αλλά αντίθετα θα συνεχίσει να αυξάνεται σε όγκο επ' αόριστον. Τμήματα της περιοχής του ψευδούς κενού θα διασπάται τυχαία παράγοντας νέα σύμπαντα "φυσαλίδα" με ένα διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό. Το σύμπαν μας θα είναι έτσι μόνο ένα από τα σύμπαντα σε αυτό το απέραντο δέντρο των φυσαλίδων.

Δεξιά: Το μοντέλο φράκταλ του Αντρέι Λίντε - που διατύπωσε τη θεωρία ότι θα μπορούσαμε να έχουμε διαστολή του σύμπαντος χωρίς να είναι αναγκαία η προϋπόθεση της κοινής αρχής από σημείο μεγάλης πυκνότητας και θερμοκρασίας - που μιλάει για ένα αυτοαναπαραγόμενο και διαστελλόμενο σύμπαν. Σχηματικά παρουσιάζει το σύμπαν σαν φυσαλίδα που η οποιαδήποτε διαταραχή δημιουργεί νέα συμπαντική φυσαλίδα. Οι φυσαλίδες περιορίζονται αρχικά και ύστερα επεκτείνονται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Άρα στο μοντέλο αυτό το σύμπαν μας δεν είναι παρά μια φυσαλίδα σε ένα Υπερσύμπαν φυσαλίδων

Το διάγραμμα δεξιά δείχνει μια απλουστευμένη εικόνα του τρόπου με τον οποίο θα λειτουργούσε αυτή η εξέλιξη. Στην αρχή έχουμε μια περιοχή του ψευδοκενού. Μετά φτιάχνεται μια φυσαλίδα-σύμπαν και τη μισή περιοχή του ψευδοκενούς κοκ. Κάθε φορά από μια περιοχή ψευδοκενού παράγεται κι ένα σύμπαν φυσαλίδα. Κάθε μία περιοχή του ψευδούς κενού είναι τόσο μεγάλη όσο και η αρχική περιοχή λόγω διαστολής. Η διαδικασία αυτή θα πρέπει να συνεχίζεται επ' αόριστον. Οι φυσαλίδες θα συγκρούονται τόσο σπάνια, ώστε κάθε παρατηρητής θα είχε μια αμελητέα πιθανότητα να δούμε ένα σημάδι ύπαρξης των άλλων φυσαλίδων. Παρόλα αυτά,  φαίνεται να είναι απαραίτητη η κατανόηση της δομής του δέντρου με τα άπειρα κλαδιά σύμπαντα, προκειμένου να γίνουν στατιστικές προβλέψεις για τις ιδιότητες του δικού μας Σύμπαντος, το οποίο υποτίθεται ότι είναι ένα τυπικό "κλαδί" του δέντρου.

Μελετώντας ένα σενάριο, όπως αυτό, οι κοσμολόγοι γενικά υποθέτουν ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι σε όλες αυτές τις πολυ-φυσαλίδες σύμπαντα. Στην πραγματικότητα, δεν έχουμε καμία δυνατότητα να το γνωρίζουμε, αλλά ο στόχος μας είναι να καταλάβουμε τις συνέπειες των νόμων της φυσικής όπως τις ξέρουμε, και να μην μείνουμε σε εικασίες για άλλους μυθικούς κόσμους. Παρόλα αυτά, υπάρχει μια πιθανότητα ότι οι άλλες φυσαλίδες σύμπαντα θα μπορούσαν να είναι πολύ διαφορετικές από τη δική μας φυσαλίδα. Ενώ ο άδειος χώρος φαίνεται να στερείται ιδιότητες, ο κενός χώρος της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής είναι μία εξαιρετικά περίπλοκη ουσία. Από το πουθενά εμφανίζονται και εξαφανίζονται αδιάκοπα ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων, και το διάστημα το ίδιο πιστεύεται πως διασπάται στον κβαντικό αφρό (μια έννοια που είναι λίγο κατανοητή) όταν μεγεθυνθεί αρκετά, έτσι ώστε αποστάσεις 10^-33 εκατοστών να γίνονται ορατές. Λόγω αυτής της πολυπλοκότητας, οι φυσικοί δεν γνωρίζουν εάν ένα μόνο είδος κενού χώρου είναι σταθερό, ή αν υπάρχουν πολλά είδη. Άλλες μορφές του χώρου μπορεί να μην είναι τρισδιάστατες, και αυτές πιθανόν να αλλάζουν τη μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων, ή τις δυνάμεις που διέπουν τη συμπεριφορά τους. Αν υπάρχουν πολλά είδη χώρου, τότε το άπειρο δέντρο των φυσαλίδων συμπάντων θα έχει δείγματα όλων των πιθανοτήτων.

Πηγή: Alan Guth An Eternity of Bubbles