Τα προβλήματα της Μεγάλης Έκρηξης
Οι κοσμολόγοι είδαν με ενθουσιασμό τη σύνδεση σωματιδιακής φυσικής των υψηλών ενεργειών και κοσμολογίας, αφού τους έλυνε το μεγάλο πρόβλημα της γέννησης της μάζας μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, στη δεκαετία του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Κι αυτή η θεωρία ήταν η GUT (που αναφέρεται στο χρονικό διάστημα από 10-43 έως 10-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν όλες οι δυνάμεις της φύσης ήταν ενωμένες πλην της βαρύτητας), που τους πρόσφερε ένα δυνητικό μηχανισμό δημιουργίας της συμπαντικής ύλης.
Μέχρι τότε έλειπε μια πειστική θεωρία για να λυθούν τα προβλήματα που ανέκυψαν μετά τη θεωρία τη Μεγάλης Έκρηξης. Σίγουρα, το Μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης ήταν ένας θρίαμβος κι από μια άποψη τα προβλήματα που δημιουργούσε ήταν λιγότερο σημαντικά μπροστά στο απίστευτο γεγονός ότι αποτελούσε μια ερμηνεία της προέλευσης του Σύμπαντος. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, τα προβλήματα εξακολουθούσαν να τριβελίζουν το μυαλό των κοσμολόγων και στα τέλη της δεκαετίας του 1970 φάνταζαν πολύ πιο σημαντικά απ’ όσο έμοιαζαν να είναι στα 1965. Και στην ιστορία της επιστήμης, συχνά μια σημαντική εξέλιξη της γνώσης που επιτεύχθηκε από μια γενιά ερευνητών δημιουργεί καινούρια προβλήματα, τα οποία αντιμετωπίζονται και επιλύονται από την επόμενη γενιά.
1. Το πρόβλημα της μάζας
Με ποιόν μηχανισμό γεννήθηκε όλη η μάζα του σύμπαντος; Υπήρχε καθόλου μάζα στην Αρχή; Όλα αυτά τα προβλήματα προσπάθησαν οι κοσμολόγοι να τα λύσουν με τις θεωρίες GUT, αλλά δεν δόθηκαν πειστικές απαντήσεις.
2. Πρόβλημα του ορίζοντα και των γαλαξιών
Εκτός από το πρόβλημα της προέλευσης της ύλης, υπήρχε μια δυσκολία που είναι γνωστή σαν το πρόβλημα του «ορίζοντα» και η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται να είναι το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Ακόμα και στην περίπτωση της κατανομής των γαλαξιών και των γαλαξιακών σμηνών, το Σύμπαν φαντάζει ομοιόμορφο σε γενικές γραμμές. Αλλά η βασικότερη ένδειξη της συμπαντικής ομοιομορφίας προήλθε από τη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία είναι ισότροπη (παραμένει η ίδια προς όλες τις διευθύνσεις) σε αναλογία μεγαλύτερη από 1 στις 10.000.
Πώς όμως «γνωρίζει» η ακτινοβολία που προέρχεται από μια περιοχή του ουρανού, πόσο ισχυρή πρέπει να είναι για να αντιστοιχεί με τόσο μεγάλη ακρίβεια στην ακτινοβολία που προέρχεται από την αντίθετη μεριά του ουρανού — και στην πραγματικότητα απ’ όλες τις μεριές;
Οι σημερινές παρατηρήσεις αποτελούν την πρώτη επαφή με την ακτινοβολία που προέρχεται απ’ αυτές τις «αντίθετες» μεριές του Σύμπαντος. Και σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, αυτές οι περιοχές, δεν μπορούσαν ποτέ να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους, αφού η απόσταση μεταξύ τους ήταν πάντοτε μεγαλύτερη απ’ αυτή που μπορεί να διανύσει το φως, στο χρονικό διάστημα που μεσολάβησε από τη δημιουργία του Σύμπαντος μέχρι σήμερα. Αν η ακτινοβολία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου των 2.7 Κέλβιν, εκπέμφθηκε 380.000 χρόνια μετά τη στιγμή της δημιουργίας, κι όπως προκύπτει από το Καθιερωμένο Μοντέλο, τότε μόνο οι περιοχές που απείχαν μεταξύ τους λιγότερο από δυο μοίρες (όπως τις παρατηρούμε από τη Γη) είναι δυνατό να έχουν έρθει σε επαφή μεταξύ τους, στη διάρκεια όλου αυτού του χρόνου. Έτσι, η ακτινοβολία του υποβάθρου θα έπρεπε να είναι ανομοιογενής και να έχει κοκκώδη υφή, κλίμακας δυο μοιρών. Φαίνεται σαν το Σύμπαν να γεννήθηκε τη στιγμή της πύρινης σφαίρας έχοντας μια απόλυτα ομαλή κατάσταση, διαθέτοντας την ίδια ακριβώς ενεργειακή πυκνότητα (δηλαδή την ίδια θερμοκρασία) ακόμα και σε περιοχές που απέχουν τόσο μεταξύ τους, ώστε ένα σήμα που κινείται με την ταχύτητα του φωτός να μην μπορεί ποτέ να «ενώσει».
Τι λοιπόν προκάλεσε αυτή την ομοιομορφία θερμοκρασίας στη Μεγάλη Έκρηξη;
Το πρόβλημα του ορίζοντα οδηγεί άμεσα στο επόμενο πρόβλημα: την ύπαρξη των γαλαξιών. Αν το Σύμπαν δημιουργήθηκε έχοντας μια τόσο ομαλή κατάσταση, τότε πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν δομές που να έχουν το μέγεθος γαλαξιών;
Σ’ ένα απόλυτα ομαλό Σύμπαν το οποίο διαστέλλεται ομοιόμορφα, η απόσταση του κάθε σωματιδίου ύλης από όλα τα υπόλοιπα θα μεγάλωνε διαρκώς κι έτσι δεν θα υπήρχαν «σπόροι» οι οποίοι κάτω από την επίδραση της βαρυτικής έλξης θα σχημάτιζαν μεγάλες συγκεντρώσεις ύλης. Δεν είναι απαραίτητοι πολύ μεγάλοι σπόροι, παρά μόνο «ανομοιομορφίες», που θα αντιστοιχούσαν σε περιοχές με πυκνότητα 0,01% μεγαλύτερη από τη μέση, 500.000 χρόνια μετά τη στιγμή της δημιουργίας.
Αλλά πώς θα ήταν δυνατό να σχηματιστούν και να αναδυθούν έστω και τόσο μεγάλες ανομοιογένειες από μία απόλυτα ομαλή Μεγάλη Έκρηξη;
3. Το πρόβλημα των μονόπολων
Έπειτα, υπάρχει και το πρόβλημα των μονοπόλων. Οι θεωρίες της Μεγάλης Ενοποίησης GUTs που προβλέπουν με τόση επιτυχία το πραγματικό ποσοστό συμπαντικής ύλης, προβλέπουν επίσης και την ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων, με τη μορφή βαριών σωματιδίων, τα οποία είναι πολύ εύκολο να εντοπιστούν. Θα έπρεπε να έχουν ανακαλυφθεί στις κοσμικές ακτίνες, αλλά στην πραγματικότητα δεν έχει γίνει κάτι τέτοιο. Η ιδιαίτερη γοητεία του μαγνητικού μονόπολου έγκειται στο γεγονός ότι αυτό διαθέτει τεράστια μάζα συμπυκνωμένη σε μικροσκοπικό όγκο και τεράστια πυκνότητα ενέργειας, η οποία δημιουργείται από το πεδίο Χιγκς – ακριβώς όπως οι τεχνητές φυσαλίδες ψευδοκενού. Παρ’ όλες τις έρευνες, μόνο δύο πειράματα εντόπισαν δύο συμβάντα τα οποία ενδεχόμενα να προκλήθηκαν από το πέρασμα ενός μαγνητικού μονοπόλου μέσα από την πειραματική διάταξη και κανείς δεν είναι διατεθειμένος να αποδεχτεί τη φαινομενική ύπαρξη τους, χωρίς περισσότερα στοιχεία.
4. Το πρόβλημα της επιπεδότητας Αλλά το πρόβλημα που πυροδότησε την έναρξη του νέου κύματος αναζήτησης, η οποία οδήγησε σε μια νέα θεωρία για την εξέλιξη του Σύμπαντος στα 10-36 δευτερόλεπτα, ονομάζεται πρόβλημα της «επιπεδότητας». Ανάγεται στις παλιές μελέτες των γαλαξιών, της ερυθρής μετατόπισης και της συμπαντικής διαστολής και είναι το εξής: Είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε την ταχύτητα διαστολής του Σύμπαντος και να κάνουμε και μια εκτίμηση για το ποσοστό ύλης που περιέχει — ή μάλλον για την πυκνότητα της ύλης, η οποία είναι το στοιχείο που παίζει ρόλο — μετρώντας τον αριθμό των γαλαξιών. Οι εξισώσεις του Αϊνστάιν επιτρέπουν την πιθανότητα ή ενός ανοιχτού Σύμπαντος το οποίο θα διαστέλλεται αιώνια, ή ενός κλειστού, το οποίο θα καταλήξει να καταρρεύσει σε μια πύρινη σφαίρα. Είναι επίσης πιθανό να είναι και επίπεδο, ισορροπώντας πάνω στην κόψη του ξυραφιού της βαρύτητας, ανάμεσα στις δύο προηγούμενες πιθανότητες. Από τις παρατηρήσεις προκύπτει ότι η πραγματική πυκνότητα του Σύμπαντος είναι πολύ κοντά στην κρίσιμη πυκνότητα, που χρειάζεται για να είναι το Σύμπαν επίπεδο. Σήμερα θεωρείται ότι τελικά το Σύμπαν μοιάζει πολύ με την περισσότερο απίθανη κατάσταση: την απόλυτη ομαλότητα. Κι αυτό σημαίνει ότι όταν δημιουργήθηκε θα πρέπει να ήταν πολύ ομαλότερο (επίπεδο), όπως υπέδειξαν το 1979 οι Robert Dicke και James Peebles, δυο από τους αστρονόμους του Πρίνστον που ανακάλυψαν την ακτινοβολία του υποβάθρου.
Η ανακάλυψη ότι το Σύμπαν βρίσκεται σε μια κατάσταση — έστω και κατά προσέγγιση — ομαλότητας είναι ακόμα πιο απίθανη κι από την περίπτωση να ισορροπεί στη μύτη του επί εκατομμύρια χρόνια, ένα καλοξυσμένο μολύβι. Κι αυτό γιατί, όπως έδειξαν οι Dicke και Peebles, οποιαδήποτε απόκλιση του Σύμπαντος από την ομαλότητα που προέκυψε από τη Μεγάλη Έκρηξη, θα αυξανόταν υπερβολικά όσο το Σύμπαν διαστελλόταν και «γερνούσε». Όπως το μολύβι πέφτει με την παραμικρότερη ώθηση, έτσι και το Σύμπαν πολύ γρήγορα αποκλίνει από την τέλεια ομαλότητα. Η κατάσταση τέλειας ισορροπίας είναι μια κατάσταση αστάθειας κι οποιαδήποτε απόκλιση από την τελειότητα καταστρέφει την ισορροπία. Από υπολογισμούς κατά τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης ένα τέτοιο σύμπαν, προκειμένου να έχει πυκνότητα παραπλήσια με την κρίσιμη τιμή, ήταν σε μια κατάσταση ακραίας ομαλότητας.
