Εξιστορώντας το πρώτο γεγονός στον Κόσμο: το Big Bang

Άρθρο, Μάρτιος 2008

Η Μεγάλη Έκρηξη ήταν το πρώτο γνωστό γεγονός στο σύμπαν

Μπορούμε να εξιστορήσουμε με σχετική ακρίβεια το ξεκίνημα του Κόσμου - πριν περίπου 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια - μια περίοδο πύρινη γνωστή ως Μεγάλη Έκρηξη ή Big Bang. Εκείνη την περίοδο, το σύμπαν ήταν εξαιρετικά καυτό και πυκνό. Στην πραγματικότητα, όλη η ύλη που παρατηρούμε σήμερα - μέχρι τους πιο απόμακρους γαλαξίες που μπορούμε να δούμε - βρισκόταν μέσα σε ένα χώρο μικρότερο κι από ένα πορτοκάλι. Από τότε - τη Μεγάλη Έκρηξη - το σύμπαν μας έχει επεκταθεί και έχει ψυχθεί, επιτρέποντας να σχηματιστούν οι γαλαξίες, τα αστέρια, οι πλανήτες, και η ζωή.

Η ιστορία των 13.7 δισεκατομμυρίων ετών του Κόσμου μας

Κανένας δεν ξέρει με τι έμοιαζε το σύμπαν εκείνη την εποχή. Η καλύτερη μέχρι σήμερα θεωρία, το μοντέλο του "πληθωριστικού σύμπαντος" υποθέτει ότι όλος ο χώρος είναι γεμάτος με ένα εξαιρετικά, συγκεντρωμένη, ασταθή μορφή ενέργειας που θα μετασχηματιστεί σε σωματίδια της ύλης κατά τη στιγμή του Big Bang. Αλλά κανένας δεν ξέρει πώς αναδύθηκαν αρχικά ο χώρος και ο χρόνος.

Τη στιγμή του Big Bang και λίγο μετά.

Εμφανίζονται σωματίδια: Κανένας δεν ξέρει ακόμα πώς πραγματοποιείται αυτή η διαδικασία. Από αυτά τα σωματίδια θα προκύψει όλη η ύλη από την οποία φτιάχτηκε  όλος ο Κόσμος. Η ύλη και η ενέργεια είναι τόσο πυκνά που ένα κουταλάκι του χώρου περιέχει 100 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια κιλά.

Στις πρώτες στιγμές της γέννησης του σύμπαντος δημιουργήθηκαν ίσα σε αριθμό νετρόνια και πρωτόνια, που όμως με την πάροδο του χρόνου σιγά σιγά άλλαξαν. Ωστόσο, σε κάθε πρωτόνιο που υπήρχε τότε αντιστοιχούσε ένα δισεκατομμύριο φωτόνια, τα οποία συγκρουόμενα μεταξύ τους παρήγαγαν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που, με τη σειρά τους, μετατρέπονταν πάλι σε φωτόνια.

Όταν, λοιπόν, το σύμπαν είχε ηλικία ενός δεκάκις χιλιοστού του δευτερολέπτου (10^-4) και η θερμοκρασία του είχε πέσει στο 1 τρισεκατομμύριο βαθμούς Κελσίου (10¹²), άρχισε η Εποχή των λεπτονίων. Το μέγεθος του ορατού σύμπαντος είχε ήδη φθάσει τα έξι έτη φωτός. Τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια όμως δεν μπορούσαν να συνδεθούν ακόμη με τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια παρά την ύπαρξη των ελκτικών δυνάμεων που δημιουργούνταν από τα αντίθετα ηλεκτρικά φορτία τους, διότι τα σταματούσε η ύπαρξη του μεγάλου αριθμού των φωτονίων.

Στις αρχές της εποχής αυτής τα μιόνια και τα νετρίνα τους ήταν κυρίαρχα. Όταν όμως εξαφανίστηκαν τα μιόνια, τα νετρίνα τους αποδεσμεύτηκαν και άρχισαν έτσι την ελεύθερη διαστολή τους. Μετά την απελευθέρωση των νετρίνων μιονίου τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια άρχισαν να εξαϋλώνονται παράγοντας συγχρόνως φωτόνια. Έτσι, στο τέλος της περιόδου αυτής απέμεινε ένα μόνο ηλεκτρόνιο για κάθε εκατό εκατομμύρια φωτόνια. Με την εξαΰλωση των ηλεκτρονίων αποδεσμεύτηκαν και τα νετρίνα ηλεκτρονίου, τα οποία μαζί με τα άλλα είδη νετρίνων αποτελούν έναν ωκεανό κοσμικών νετρίνων που πλημμυρίζουν ολόκληρο το σύμπαν.

Στο 1/100 του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και σε θερμοκρασία που έφθανε τους 100 δισεκατομμύρια βαθμούς, η πυκνότητα είχε πέσει περίπου στα τέσσερα δισεκατομμύρια φορές την πυκνότητα του νερού. Σε αυτό το σημείο όμως άρχισε και η διαφοροποίηση του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων. Αυτό συνέβη διότι, ενώ τα πρωτόνια είναι ιδιαίτερα σταθερά, τα νετρόνια στα καλά καθούμενα μπορεί να διασπαστούν μέσα σε λίγα λεπτά και να μας δώσουν ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Για τη δημιουργία όμως νετρονίων από τα πρωτόνια χρειάζεται η σύγκρουση ενός πρωτονίου με ένα αντινετρίνο (για την παραγωγή ενός νετρονίου και ενός ποζιτρονίου) ή η σύγκρουση ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου (για την παραγωγή ενός νετρονίου και ενός νετρίνου).

Όταν οι θερμοκρασίες ήταν υψηλές, δεν υπήρχε κανένα πρόβλημα και έτσι είχαμε τις ίδιες ποσότητες πρωτονίων και νετρονίων. Σύντομα όμως, και καθώς οι θερμοκρασίες μειώνονταν, τα πράγματα άλλαξαν και μαζί τους άρχισε να αλλάζει και η αναλογία νετρονίων και πρωτονίων. Έτσι στο 1/10 του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη η θερμοκρασία είχε πέσει στους 31,5 δισεκατομμύρια βαθμούς, η πυκνότητα ήταν 30 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του νερού και η αναλογία νετρονίων-πρωτονίων ήταν 38% νετρόνια και 62% πρωτόνια. Η κοσμική εκείνη "σούπα" πλάσματος περιλάμβανε και άλλα συστατικά: για κάθε 8 φωτόνια είχαμε 9 νετρίνα, 9 αντινετρίνα, 6 ποζιτρόνια και 6 ηλεκτρόνια με ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο για κάθε πρωτόνιο.

Ένα δευτερόλεπτο (1 sec) μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία έπεσε στους 10 δισεκατομμύρια βαθμούς, τα φωτόνια δεν είχαν πια την αναγκαία ενέργεια για την παραγωγή ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Τα νετρόνια όμως συνέχισαν να διασπώνται. Η πυκνότητα του σύμπαντος την εποχή εκείνη μπορεί να υπολογιστεί σήμερα βάσει των διαφόρων διαδικασιών εξαΰλωσης που συνέβαιναν τότε από τις συγκρούσεις ύλης και αντιύλης. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς αυτούς, η πυκνότητα του σύμπαντος έφθανε τότε να είναι τέσσερα δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του νερού, ενώ τα σωματίδια που επικρατούσαν ήταν τα λεπτόνια. Υπήρχαν όμως και αρκετά βαρέα σωματίδια σε μία αναλογία ενός βαρυονίου (πρωτόνια και νετρόνια) για κάθε ένα δισεκατομμύριο φωτόνια. Η αναλογία αυτή είναι ένας σημαντικός αριθμός και προέρχεται από τις απευθείας παρατηρήσεις μας της ακτινοβολίας, που ακόμη και σήμερα μας βομβαρδίζει από όλα τα σημεία του σύμπαντος.
 

Τα πρώτα 3 λεπτά

Όλα τα άτομα του υδρογόνου στον Κόσμο σχηματίζονται τώρα. Εάν ο Κόσμος είχε παραμείνει τόσο καυτός και πυκνός για πολύ περισσότερο χρόνο, το υδρογόνο θα είχε μετατραπεί σε άλλα χημικά στοιχεία. Χωρίς υδρογόνο, δεν θα υπήρχε νερό και επομένως καμία ζωή όπως την ξέρουμε. Η κλίμακα της εικόνας έχει διάμετρο 550 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα και βάρος, 10 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια κιλά

Σε 380 χιλιάδες χρόνια

Δεξιά: Είναι το πρώτο πρώτο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε στο σύμπαν.

Το σύμπαν διαστέλλεται ραγδαία και ψύχεται, αλλά είναι ακόμα καυτό. Περιέχει μόνο τα πιο απλά χημικά στοιχεία, κυρίως υδρογόνο και ήλιο. Εμφανίζονται οι πρώτες υποψίες δομών. Τέτοιες ισχνές συγκεντρώσεις της ύλης θα αυξάνονται σε μέγεθος καθώς η βαρύτητα έλκει τις γειτονικές μάζες. Η κλίμακα της εικόνας είχε διάμετρο τότε 800 χιλιάδες τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα και βάρος, 10 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια κιλά

Σε 100 εκατομμύρια χρόνια

Αριστερά: Το σύμπαν φαίνεται τότε πολύ σκοτεινό και πολύ μοναχικό.

Όταν το σύμπαν είχε ψυχθεί αρκετά, δεν υπήρχε πια κανένα ορατό φως στο σύμπαν. Δεν είχαν εμφανιστεί ακόμα τα πρώτα άστρα στο σύμπαν. Η κλίμακα της εικόνας έχει διάμετρο 16 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα και το ίδιο βάρος, αφού έπαψε να δημιουργείται ύλη λίγα λεπτά μετά το Big Bang. .

Σε 1 δισεκατομμύριο χρόνια

Ήδη έχουν 'ανάψει' τα πρώτα άστρα και το σύμπαν λούζεται από το φως τους. Σχηματίστηκαν ήδη οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών. Η διάμετρος της εικόνας είναι 100 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα.

Σε 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια (σήμερα)

Στην εικόνα αριστερά κάθε φωτεινό κίτρινο σημείο αναπαριστά ένας ολόκληρο γαλαξία ή σμήνος γαλαξιών - και κάθε γαλαξίας περιέχει δισεκατομμύρια άστρα. Σε αυτή την κλίμακα της εικόνας το ηλιακό μας σύστημα είναι πολύ μικρότερο από το μέγεθος ενός ατόμου. Η κλίμακα της εικόνας είναι τώρα 950 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα.

Πώς ξέρουμε με τι έμοιαζε το σύμπαν στις διάφορες περιόδους της εξέλιξης του, αφού κανένας δεν ήταν εκεί για να την καταγράψει;

Κατά τη διάρκεια του προηγούμενου αιώνα τρεις σημαντικές ανακαλύψεις μας επιβεβαίωσαν το σενάριο της Μεγάλης Έκρηξης:

1ο σενάριο: Παρατηρούμε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από μας

Εάν έχετε κάνει το γύρο του Κόσμου, ξέρετε ότι ο Γαλαξίας μας είναι απλώς ένας από τους αμέτρητους γαλαξίες με άστρα με τους οποίους είναι γεμάτος ο αισθητός μας κόσμος. Λόγω της αμοιβαίας βαρυτικής ελκτικής δύναμης τους θα περίμενε κάποιος όλοι αυτοί οι γαλαξίες, και ο δικός μας φυσικά, να κινούνται ο ένας προς τον άλλον. Αλλά το 1929, ο αστρονόμος Edwin Hubble έκανε την πιο απροσδόκητη ανακάλυψη που έγινε ποτέ στην Αστρονομία: οι απόμακροι γαλαξίες απομακρύνονται από τη Γη. Στην πραγματικότητα, όσο πιο απόμακρος ήταν ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνεται από μας.

Επειδή λοιπόν οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους, τι το πιο φυσικό κάποτε να ήταν πολύ κοντά ο ένας με τον άλλο. Με βάση τις ταχύτητες και τις κατευθύνσεις των κινήσεων των γαλαξιών, οι αστρονόμοι καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι όλοι οι γαλαξίες πρέπει να έχουν προέλευση το ίδιο σημείο πριν, περίπου, 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια. Το νηπιακό σύμπαν θα ήταν τότε απίστευτα πυκνό με όλη την ύλη σε ένα απίστευτα μικρό χώρο! Αυτό το συμπέρασμα έχει επιβεβαιωθεί από πολλά άλλα αποδεικτικά δεδομένα.

2ο σενάριο : Παρατηρούμε χημικά στοιχεία που έγιναν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη

Στη δεκαετία του '40, ο φυσικός George Gamow και οι συνάδελφοί του συνειδητοποίησαν ότι το πρώιμο σύμπαν πρέπει να ήταν εξαιρετικά καυτό καθώς και εξαιρετικά πυκνό. Οι επιστήμονες άρχιζαν μόλις να καταλαβαίνουν ότι κάτω από τη μεγάλη θερμότητα και πυκνότητα, όλα τα χημικά στοιχεία μπορούν να σχηματίζονται το ένα από το άλλο. Ο Gamow υπολόγισε ότι για έναν καυτό, πυκνό, και διαστελλόμενο Κόσμο περίπου το ένα τέταρτο του απλούστερου χημικού στοιχείου - του υδρογόνου  - "θα είχε μαγειρευτεί" προς το στοιχείο ήλιο. Οι αστρονόμοι έχουν μετρήσει την αναλογία του υδρογόνου και του ηλίου μέσα στο σύμπαν, και βρήκαν ότι ταιριάζει τέλεια με αυτή την πρόβλεψη. Αυτή η πρόβλεψη ήταν ισχυρή απόδειξη ότι το πρώιμο σύμπαν ήταν καυτό καθώς επίσης και πυκνό.

3ο σενάριο: Παρατηρούμε την ακτινοβολία λείψανο από τη Μεγάλη Έκρηξη

Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης η τελευταία πραγματοποιήθηκε παντού στο χώρο (κι όχι μόνο σε ένα σημείο). Για χιλιάδες χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, όλο το διάστημα ήταν γεμάτο με ύλη τόσο καυτή έλαμπε - σαν το φούρνο αγγειοπλαστικής δεξιά. Αυτή η μεταλαμπή (ακτινοβολία λείψανο) της Μεγάλης Έκρηξης γεμίζει τον Κόσμο ακόμα και σήμερα.

Στην πραγματικότητα, ένα σταθερό ρεύμα αυτής της ακτινοβολίας φθάνει συνεχώς στη Γη, από τις απόμακρες περιοχές του διαστήματος, έχοντας ταξιδέψει δισεκατομμύρια χρόνια μέχρι να φτάσει εδώ. Το φως αυτό φυσικά δεν είναι πλέον ορατό με το μάτι μας - έχοντας εξασθενίσει και έχοντας υποστεί μια μετατόπιση προς το ερυθρό άκρο του φάσματος, λόγω της διαστολής του σύμπαντος και της επακόλουθης ψύξης  - αλλά είναι ανιχνεύσιμο με ειδικά όργανα.

Το 1964, οι ραδιοαστρονόμοι Arno Penzias και Robert Wilson έγιναν οι πρώτοι που ανακάλυψαν αυτή τη μεταλαμπή της Μεγάλης Έκρηξης στη Γη. Και το το 1991 το διαστημικό σκάφος COBE της NASA συνέλαβε την πρώτη εικόνα αυτού του αρχαίου φωτός που προέρχεται από όλες τις κατευθύνσεις στον ουρανό, επιβεβαιώνοντας το σενάριο της Μεγάλης Έκρηξης. Το επίτευγμα έχει χαιρετηθεί ως ένα από τους πιο μεγάλους θριάμβους της επιστημονικής εξερεύνησης.

Οι ιδέες του Αϊνστάιν και η Μεγάλη Έκρηξη.

Σήμερα, καταλαβαίνουμε τη Μεγάλη Έκρηξη βάσει της επαναστατικής θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν, η οποία ολοκληρώθηκε περίπου το 1917. Ο μεγάλος φυσικός ήταν το πρώτο πρόσωπο που μπόρεσε να συνειδητοποιήσει ότι το κενό διάστημα δεν είναι απλά "ανύπαρκτο" ή "άδειο"- το διάστημα έχει τις δικές του ιδιότητες. Η θεωρία του Einstein μας βοηθά να απεικονίσουμε την διαστολή του σύμπαντος, σαν μια επιμήκυνση του διαστήματος. Δηλαδή νέο διάστημα συνεχώς προστίθεται μεταξύ των γαλαξιών. Κατά συνέπεια, η δημιουργία του Κόσμου - ή τουλάχιστον του διαστήματος στον Κόσμο - είναι μια συνεχής διαδικασία που πραγματοποιείται ακόμα.

Αυτές οι φανταστικές ιδέες, και η επιβεβαίωσή τους, είναι το αποτέλεσμα δύο θαυμαστών πραγμάτων. Η μία είναι η δύναμη της ανθρώπινης φαντασίας όταν συνδέεται με την επιστημονική εξερεύνηση. Η άλλη είναι η προφανής προθυμία της φύσης να μοιραστεί τα αρχαία μυστικά της με εμάς - κάνοντας δυνατή, παραδείγματος χάριν, τη συγκέντρωση των στοιχείων από το πολύ παρελθόν ή και την ίδια τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αλλά βρίσκονται κρυμμένα ακόμα πιο βαθιά μυστικά.

Πώς ήταν το σύμπαν αμέσως πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη - λίγο πριν τα σωματίδια της ύλης εκραγούν και γίνουν υπαρκτά; Τι ήταν αυτό που τροφοδότησε τη Μεγάλη Έκρηξη αρχικά;

Μια νέα μορφή ενέργειας μπορεί να είχε τροφοδοτήσει τη Μεγάλη Έκρηξη

Αν και οι αστρονόμοι καταλαβαίνουν με τι έμοιαζε ο Κόσμος λίγα δευτερόλεπτα μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, κανένας δεν ξέρει ακόμα τι συνέβη στη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, στον χρόνο μηδέν - ή τι υπήρχε πριν. Τι την τροφοδότησε; Από πού προήλθε όλη η ουσία στον Κόσμο αρχικά; Με τί έμοιαζε ο Κόσμος αμέσως πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη;

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει διάφορες νέες ιδέες για αυτό που μπορεί να έχει τροφοδοτήσει τη Μεγάλη Έκρηξη. Δημιουργούν επίσης νέες τολμηρές διαστημικές αποστολές για να εξετάσουν αυτές τις ιδέες.

Το πληθωριστικό σύμπαν

Η κυρίαρχη ιδέα λέγεται μοντέλο του "πληθωριστικού σύμπαντος". Η βασική υπόθεση αυτού του μοντέλου είναι ότι αμέσως πριν από το Big Bang, το διάστημα ήταν γεμάτο με μια ασταθή μορφή ενέργειας, η φύση της οποίας δεν είναι ακόμα γνωστή. Σε κάποια στιγμή, αυτή η ενέργεια μετασχηματίστηκε στα θεμελιώδη σωματίδια από τα οποία προέκυψε όλη η ύλη που παρατηρούμε σήμερα. Εκείνη η στιγμή χαρακτηρίζει αυτό που λέμε Μεγάλη Έκρηξη.

Μια αξιοπρόσεκτη συνέπεια αυτού του μοντέλου είναι ότι, εάν ακόμα και ένα μικρό τμήμα του χώρου περιείχε αυτήν την αρχέγονη μορφή της ενέργειας, τότε αυτό το μικρό τμήμα του χώρου θα διαστελλόταν εξαιρετικά γρήγορα και θα φανέρωνε περισσότερη ενέργεια αυτού του είδους. Στην πραγματικότητα, όλη η ύλη στον Κόσμο θα μπορούσε να έχει προκύψει από λίγη αρχέγονη ενέργεια, που θα αντιστοιχούσε σε λιγότερο βάρος από ένα μπιζέλι. Αυτό το καταπληκτικό σενάριο είναι μια συνέπεια της εφαρμογής της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν στο μοντέλο του πληθωριστικού σύμπαντος. Κατά συνέπεια οι γνωστοί νόμοι της φύσης μπορούν σε γενικές γραμμές να εξηγήσουν από πού προήλθαν η ύλη και η ενέργεια στον Κόσμο, υπό τον όρο ότι υπήρξε τουλάχιστον ένας μικροσκοπικός σπόρος της ενέργειας για να αρχίσει.

Ένα μοντέλο είναι χρήσιμο μόνο εάν κάνει προβλέψεις που μπορούν να δοκιμαστούν με πειραματικά στοιχεία. Το μοντέλο του πληθωρισμού κάνει διάφορες ελέγξιμες προβλέψεις.  Μία από τις σημαντικότερες είναι ότι η αρχέγονη ενέργεια θα ήταν "άμορφη" - δηλ., άνισα κατανεμημένη στο χώρο - που οφείλεται σε ένα είδος κβαντικού θορύβου που προέκυψε όταν ο Κόσμος ήταν εξαιρετικά μικρός. Αυτό το σχέδιο (μοτίβο) θα είχε μεταφερθεί στα σωματίδια που εμφανίστηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης. Κατά συνέπεια, η ύλη που γέμισε το σύμπαν μετά δεν θα είχε απλωθεί ομοιόμορφα στο χώρο, μερικές περιοχές θα είχαν ελαφρώς περισσότερη ύλη, μερικά ελαφρώς λιγότερη. Αυτή η απουσία ομοιομορφίας του βρεφικού σύμπαντος είναι τυχερή για μας: Αν ήταν ο Κόσμος ομοιόμορφα γεμάτος με ύλη, τότε δεν θα είχαν διαμορφωθεί ποτέ τα αστέρια και οι πλανήτες. Δεν θα ήμαστε προφανώς εδώ.

Στοιχεία για το μοντέλο του πληθωριστικού σύμπαντος

Εάν είναι σωστό το μοντέλο του πληθωριστικού σύμπαντος, τότε πρέπει να δούμε αυτό το άμορφο σχέδιο στη μεταλαμπή (η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου) από τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει ακριβώς αυτό το προβλεπόμενο σχέδιο, σε μια θεαματική εικόνα της μεταλαμπής του Big Bang, που λήφθηκε το 2003 από τη διαστημοσυσκευή WMAP της NASA. Η εικόνα μας παρουσιάζει με τι έμοιαζε ο Κόσμος περίπου 380.000 χρόνια μετά από τη στιγμή του Big Bang

Το μοντέλο του πληθωριστικού σύμπαντος είναι σημαντικό επειδή, για πρώτη φορά, μας δίνει μια ματιά για το πώς η φύση μπορεί να είχε κανονίσει να δημιουργήσει όλη την ύλη στον κόσμο: Θα ήταν αρκετός ένας μόνο 'σπόρος' χώρου και ενέργειας.

Αλλά ποια ήταν αυτή η αρχέγονη μορφή της ενέργειας; Και από πού προήλθε αρχικά ο 'σπόρος' του διαστήματος και της ενέργειας ; Πώς άρχισε συνολικά ο Κόσμος μας;

Τα μυστήρια αυτά δίνουν χώρο για τη θεωρία χορδών και για νέα πειράματα

Κανένας δεν ξέρει πώς προέκυψαν ο πρώτος χώρος, ο χρόνος, και η ύλη. Και οι επιστήμονες καταπιάνονται με ακόμα βαθύτερες ερωτήσεις. Εάν δεν υπήρχε τίποτα στην αρχή για να ξεκινήσει, τότε από πού προήλθαν οι νόμοι της φύσης; Πώς το σύμπαν "ήξερε" πώς να προχωρήσει; Και γιατί οι νόμοι της φύσης παράγουν έναν Κόσμο που είναι τόσο φιλόξενος για τη ζωή; Όσο δύσκολες κι εάν είναι αυτές οι ερωτήσεις, οι επιστήμονες προσπαθούν να τις εξετάσουν με τολμηρές νέες ιδέες - και νέα πειράματα για να δοκιμάσουν αυτές τις ιδέες.

Για να κατανοήσουμε πώς ξεκίνησε ο Κόσμος χρειαζόμαστε μια καλύτερη θεωρία για το πώς συσχετίζονται ο χώρος, ο χρόνος, και η ύλη. Στη φυσική, μια θεωρία δεν είναι μια εικασία ή μια υπόθεση. Είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που μας αφήνει να κάνουμε προβλέψεις για το πώς συμπεριφέρεται ο Κόσμος. Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν, παραδείγματος χάριν, περιγράφει ακριβώς πώς η ύλη αποκρίνεται στη βαρύτητα στις μεγάλες κλίμακες γύρω από μας. Και η καλύτερη θεωρία για το μικροσκοπικό, υποατομικό χώρο, η κβαντική θεωρία, κάνει πολύ ακριβείς προβλέψεις για τη συμπεριφορά της ύλης στις μικροσκοπικές κλίμακες των αποστάσεων. Αλλά αυτές οι δύο θεωρίες δεν είναι πλήρεις και δεν είναι ικανές να κάνουν ακριβείς προβλέψεις για τις πολύ πολύ αρχικές στιγμές του Κόσμου, όταν ήταν και εξαιρετικά πυκνός και εξαιρετικά μικρός.

Μερικά από τα καλύτερα μυαλά στη φυσική δουλεύουν σε μια νέα θεωρία του χώρου,  του χρόνου, και της ύλης, τη θεωρία χορδών, που μπορεί να μας βοηθήσει ώστε να καταλάβουμε καλύτερα από που προήλθε ο κόσμος. Η θεωρία χορδών είναι βασισμένη στις νέες ιδέες που δεν έχουν δοκιμαστεί ακόμα. Η θεωρία υποθέτει, παραδείγματος χάριν, ότι τα βασικά σωματίδια στη φύση δεν είναι σημειακά, αλλά είναι σε σχήμα χορδών. Και η θεωρία απαιτεί - και προβλέπει - ότι ο χώρος έχει περισσότερες από τρεις διαστάσεις στις οποίες κινούμαστε. Σύμφωνα με μια εκδοχή της θεωρίας, τα σωματίδια και οι δυνάμεις που αποτελούν τον Κόσμο μας είναι περιορισμένες στις τρεις διαστάσεις που βλέπουμε - εκτός από τη βαρύτητα, η οποία μπορεί να "διαρρέει" έξω στις πρόσθετες διαστάσεις.

Η θεωρία χορδών έχει οδηγήσει σε μερικά παράξενα νέα σενάρια για την προέλευση του Κόσμου. Σε ένα σενάριο, το Big Bang θα μπορούσε να έχει προκληθεί όταν συγκρούστηκε το δικό μας σύμπαν με έναν "παράλληλο σύμπαν" φτιαγμένο από αυτές τις πρόσθετες διαστάσεις. Τα σενάρια, όπως αυτό, είναι πολύ θεωρητικά, επειδή η θεωρία χορδών είναι ακόμα υπό ανάπτυξη και ακόμα δεν έχει δοκιμαστεί, αλλά υποκινούν τους αστρονόμους να ψάξουν για νέες μορφές αποδεικτικών στοιχείων.

Ένα νέο παράθυρο στον Κόσμο: τα κύματα της βαρύτητας

Η πιο ελπιδοφόρα ένδειξη για την κοσμική προέλευσή μας μπορεί να είναι τα μικροσκοπικά κύματα της βαρύτητας, που τέθηκαν σε κίνηση κατά τη διάρκεια του ίδιου του Big Bang. Αυτοί οι κυματισμοί της βαρύτητας δεν έχουν ανιχνευτεί ακόμα, αλλά η NASA στοχεύει να τα ψάξει με την αποστολή LISA, που θα προωθηθεί την επόμενη δεκαετία. Η τεχνολογία LISA θα είναι τόσο ακριβής που θα μετρά την απόσταση έως το φεγγάρι με ακρίβεια μικρότερη από το πλάτος ενός ατόμου. Η αποστολή θα συμπληρωθεί από τον επίγειο ανιχνευτή LIGO, που ήδη βρίσκεται σε λειτουργία.

Τα κύματα της βαρύτητας είναι σημαντικά επειδή είναι η μόνη γνωστή μορφή πληροφοριών που μπορεί να φθάσει σε μας, μη διαστρεβλωμένη, από τη στιγμή του ίδιου του Big Bang. Βέβαια τα διαφορετικά σενάρια για τον πρώιμο Κόσμο κάνουν διαφορετικές προβλέψεις για το μέγεθος και το μοτίβο αυτών των κυμάτων της βαρύτητας. Ελπίζουμε ότι τα κύματα της βαρύτητας θα παίξουν σημαντικό ρόλο στην απόρριψη ή στην υποστήριξη μερικών από αυτές τις θεωρίες του πρώιμου Κόσμου. Η αλήθεια είναι, ότι κανένας δεν ξέρει τι θα βρούμε. Είναι ένα ανεξερεύνητο έδαφος - ένα νέο παράθυρο στον Κόσμο.

Είναι ο Κόσμος μας μοναδικός;

Ίσως η πιο συνταρακτική και εκτεταμένη πρόβλεψη της θεωρίας χορδών - και επίσης του πληθωριστικού μοντέλου του Κόσμου - είναι ότι ο Κόσμος που ζούμε δεν είναι πιθανώς ο μοναδικός. Το πληθωριστικό μοντέλο προβλέπει ότι πραγματοποιούνται συνεχώς Big Bangs σε άλλες περιοχές του διαστήματος - και η θεωρία χορδών προτείνει ότι αυτοί τα άλλα μίνι-σύμπαντα μπορούν να είναι τόσο διαφορετικοί από το δικό μας, που ακόμη και οι νόμοι της φύσης και ο αριθμός των διαστάσεων του χώρου μπορεί να είναι διαφορετικοί.

Αυτή η ιδέα - ότι το Σύμπαν ως ένα σύνολο συμπάντων μπορεί να μην μοιάζει με το μέρος που ζούμε - μπορεί να βοηθήσει ώστε να εξηγηθεί ένα αινιγματικό μυστήριο για τον Κόσμο μας: Γιατί είναι οι σταθερές και οι νόμοι της φύσης ακριβώς τόσο, και όχι διαφορετικοί; Παραδείγματος χάριν, γιατί είναι η ταχύτητα του φωτός όχι γρηγορότερη από ότι είναι; Γιατί είναι τα ηλεκτρόνια τόσο πολύ πιο ελαφριά από τα πρωτόνια στα άτομα; Αυτό που ξέρουμε είναι ότι εάν αυτοί οι θεμελιώδεις νόμοι και οι σταθερές ήταν ακόμα και ελαφρώς διαφορετικοί από αυτό που παρατηρούμε, τότε η ζωή όπως την ξέρουμε δεν θα υπήρχε. Παραδείγματος χάριν, τα άτομα θα ήταν λιγότερο σταθερά, ή τα αστέρια και οι πλανήτες δεν θα σχηματίζονταν. Παραδοσιακά, οι φυσικοί επιδίωκαν κάποια λογική εξήγηση γιατί ο Κόσμος μας να είναι όπως είναι. Αλλά η πιθανότητα των πολλαπλών Κόσμων εγείρει την δυνατότητα η ίδια η φύση να παίζει ζάρια: μερικοί Κόσμοι έχουν τις σωστές συνθήκες για τη ζωή, ενώ άλλοι - η μεγάλη πλειοψηφία - όχι.

Η φύση είναι πλήρης εκπλήξεων, και αυτός ο διάλογος με τη φύση πρέπει να πάει μακριά. Με κάθε γενεά, ο Κόσμος που παρατηρούμε φαίνεται μεγαλύτερος και πιο θαυμαστός. Λίγες μόνο εκατοντάδες χρόνια πριν, τα αστέρια που βλέπουμε στον ουρανό φαίνονταν να είναι τα όρια του Κόσμου μας. Κατόπιν το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου άνοιξε το πανόραμα των άστρων που αποτελούν το Γαλαξία μας. Έναν μόνο αιώνα πριν, η ανθρωπότητα ακόμα δεν είχε ανακαλύψει ότι υπάρχουν δισεκατομμύρια γαλαξίες αρκετά πέρα από τον δικό μας. Σήμερα, μπορούμε να δούμε τόσο μακριά όσο η φύση μας επιτρέπει αυτή την περίοδο - στη στιγμή του ίδιου του Big Bang. Οι ιδέες μας και η ευστροφία δημιουργούν έναν Κόσμο ακόμα μεγαλύτερο και πιο ποικίλο από όσο είχαμε φανταστεί ποτέ. Υπάρχει καμιά ερώτηση ότι αυτό είναι μια μεγάλη εξερεύνηση; 

Πηγή: NASA