Αστροφυσική, Διάστημα Σημαντικά θέματα

Το πληθωριστικό μοντέλο του σύμπαντος Μία συνάντηση της κοσμολογίας με τη σωματιδιακή φυσική

Share

Το Χαοτικό Πληθωριστικό Μοντέλο του Andrei Linde

Ο Guth όμως παρά τις επιτυχίες του υπέθεσε ένα σύμπαν πολύ διαφορετικό από αυτό που βλέπουμε σήμερα. Φυσικά ήταν σωστή η εκθετική διόγκωση του σύμπαντος που έλυσε τόσα πολλά προβλήματα. lindeΑλλά το επόμενο βήμα έγινε από το φυσικό Andrei Linde, που τότε ήταν στο Ινστιτούτο Λέμπεντεφ της Μόσχας, το 1981. Ο Andrei Linde γεννήθηκε στη Μόσχα το 1948 και σπούδασε φυσική στο εκεί πανεπιστήμιο, προτού εγκατασταθεί σαν ερευνητής στο Ινστιτούτο Λέμπεντεφ. Ο Linde ενδιαφέρθηκε για τη φύση της φάσης μετατροπής υψηλών ενεργειών των πεδίων Higgs και γοητεύτηκε από την εργασία του Guth. Τον προβλημάτιζε όμως σε βαθμό ενόχλησης η δυσκολία εξήγησης μιας ομαλής μετάβασης από το ψεύτικο στο αληθινό κενό. Αλλά το καλοκαίρι του 1981, ανακάλυψε μια λύση στο πρόβλημα. Ο Linde θεώρησε ότι δεν υπάρχει ένα βαθύ πηγάδι, σαν τον κρατήρα ενός ηφαιστείου, που αντιστοιχεί στην κατάσταση του ψεύτικου κενού. Αντί γι’ αυτό, υπάρχει ένα χαμηλό «οροπέδιο» ενέργειας το οποίο έχει πλαγιές με ελαφριά κλίση που καταλήγουν στην κατάσταση του αληθινού κενού — το οποίο βρίσκεται στους «πρόποδες» του οροπεδίου.

Ένα πεδίο Higgs πάνω σ’ ένα τέτοιο εξόγκωμα θα «κατρακυλούσε» πολύ ομαλά και ήρεμα στην κατάσταση του αληθινού κενού, χωρίς περίπλοκες σειρές τοπικών κβαντικών μεταβάσεων, που θα αντιστοιχούσαν στο «άνοιγμα» μιας «σήραγγας» μέσα από το τοίχωμα. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύμπαν ομαλό και ομοιόμορφο, ένα σύμπαν που έχει συμπυκνωθεί σαν το ζελέ στο ψυγείο, και που δεν μοιάζει καθόλου με το σμήνος των αυγών του βατράχου. Η ιδέα έγινε γνωστή σαν το «νέο πληθωριστικό σενάριο» και παρόλο που μεσολάβησε ένα μικρό χρονικό διάστημα, έγινε πολύ δημοφιλής, στα μέσα της δεκαετίας του 1980.

inflaton

Πάνω: Το πεδίο Inflaton, η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του χώρου, συμπεριφέρθηκε όπως μια μπάλα που κυλά σε μια πλαγιά: Αναζητούσε το ελάχιστο της δυναμικής του ενέργειας (κατακόρυφος άξονας). Η αρχική τιμή του πεδίου ήταν υψηλή λόγω των κβαντικών διαδικασιών στην έναρξη του χρόνου. Ενώ στον συμβατικό πληθωρισμό, το πεδίο κινήθηκε κατευθείαν στο ελάχιστο του, όμως σε μια παραλλαγή του πληθωρισμού – τον ανοικτό πληθωρισμό – παγιδεύτηκε σε ένα τοπικό ελάχιστο. Σε όλη σχεδόν την έκταση του σύμπαντος, το πεδίο παρέμεινε εκεί και ο πληθωρισμός δεν τερματίστηκε ποτέ. Σε ορισμένες όμως τυχερές περιοχές, το πεδίο μπόρεσε να ξεφύγει, μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγας, απ’ το τοπικό ελάχιστο και ολοκλήρωσε την κάθοδό του. Μια τέτοια περιοχή έγινε τελικά η φυσαλίδα μέσα στην οποία ζούμε. Μόλις το πεδίο Inflaton πλησίασε στο ελάχιστό του, την τελική θέση ισορροπίας, άρχισε να ταλαντώνεται πέρα-δώθε, γεμίζοντας το χώρο με ύλη και ακτινοβολία. Ουσιαστικά τότε άρχισε το Big Bang.

Λίγο αργότερα ο Linde πρότεινε το «χαοτικό πληθωρισμό», ανοίγοντας νέους ορίζοντες στη θεωρητική κοσμολογία. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν, παράλληλα, ότι τα νεαρό σύμπαν θα πρέπει να έδωσε το έναυσμα για τη δημιουργία ηχητικών κυμάτων, τα οποία προκάλεσαν μια σειρά από συμπυκνώσεις και αραιώσεις του αρχέγονου πλάσματος. Αυτές με τη σειρά τους δημιούργησαν πολύ μικρές εναλλαγές θερμοκρασίας (οι συμπυκνώσεις της ύλης αύξαναν λίγο τη θερμοκρασία, ενώ οι αραιώσεις τη μείωναν), οι οποίες αποτυπώθηκαν -«πάγωσαν», θα λέγαμε- στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου (η οποία ήδη είχε εντοπισθεί). Ποια όμως ήταν η πηγή των αρχικών διακυμάνσεων, από τις οποίες προήλθαν τα ηχητικά κύματα; Σύμφωνα με τη θεωρία του πληθωριστικού σύμπαντος, η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος οφείλεται σε μια παράξενη μορφή ενέργειας ενός πεδίου, το οποίο αναφέρεται κι ως «πεδίο inflaton».

Με το πέρας της πληθωριστικής εποχής, η αρχική μικρή μας περιοχή έχει διασταλεί σε απίστευτο βαθμό. Η αρχική συμμετρία μεταξύ των τριών αλληλεπιδράσεων (ασθενής, ισχυρή και ηλεκτρομαγνητική) έχει πλέον διασπαστεί και η ενέργεια των πεδίων Higgs απελευθερώνεται, οδηγώντας σε μια εκρηκτική παραγωγή στοιχειωδών σωματιδίων. wmap_measures

Η θεωρία του πληθωρισμού επιβεβαιώνεται από τις μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας από το δορυφόρο WMAP. Παράλληλα, η θερμοκρασία αυξάνεται ξανά, πλησιάζοντας τους 1027 βαθμούς Κέλβιν (επαναθέρμανση). Εκείνο που απομένει είναι μια καυτή θάλασσα στοιχειωδών σωματιδίων σε θερμική ισορροπία – ακριβώς, δηλαδή, αυτό που προϋποθέτει, χωρίς όμως να το εξηγεί, η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Το πληθωριστικό μοντέλο προβλέπει ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει μικροσκοπικές ρυτιδώσεις στην δομή του σύμπαντος, ακόμη και όταν το σύμπαν είχε μέγεθος της τάξης του 10-25 cm, δηλαδή 100 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το μήκος Planck. Οι ρυτιδώσεις αυτές αντιστοιχούν στις ανωμαλίες στην κατανομή της ύλης και της ενέργειας στο σύμπαν. Αυτές οι διαταραχές της πυκνότητας, τελικά άφησαν ένα αποτύπωμα στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, κατά τον χρόνο που η ύλη και η ακτινοβολία αποσυζεύχθηκαν (περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big Bang), παράγοντας ακριβώς το είδος της ανομοιομορφίας στην ακτινοβολία υποβάθρου, που παρατηρούμε σήμερα.

Μετά την αποσύζευξη, οι διακυμάνσεις της πυκνότητας διαστάλθηκαν και αποτέλεσαν την μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος που εκδηλώνεται σήμερα με την κατανομή των σμηνών των γαλαξιών. Αυτό σημαίνει ότι οι παρατηρήσεις ακτινοβολίας υποβάθρου μας δίνουν στην πραγματικότητα πληροφορίες για το τι συνέβη στο σύμπαν όταν αυτό είχε ηλικία λιγότερη από 10-20 του δευτερολέπτου. Από το σημείο αυτό και ύστερα, η περιοχή συνεχίζει να διαστέλλεται και να ψύχεται με τον τρόπο που περιγράφει η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Οι κβαντικές διακυμάνσεις των πεδίων Higgs μεγεθύνθηκαν από την εκθετική διαστολή του σύμπαντος και δημιούργησαν τις διακυμάνσεις στην ενεργειακή πυκνότητα της αρχέγονης ύλης του νεαρού σύμπαντος και εντέλει τις κοσμικές δομές που παρατηρούμε σήμερα.

Ο Linde όπως γνωρίζουμε βοήθησε στην εδραίωση της πληθωριστικής κοσμολογίας – τη θεωρία ότι ο Κόσμος άρχισε όχι με ένα καυτό Big Bang αλλά με μια εξαιρετικά γρήγορη διαστολή (πληθωρισμός) του χώρου σε μια κατάσταση σαν το κενό. Σύμφωνα με την πληθωριστική θεωρία, αυτό που ονομάζουμε Σύμπαν είναι μόλις ένα λεπτό τμήμα ενός πολύ μεγαλύτερου Κόσμου.

Το 1983, ο Linde υπέθεσε ότι η κβαντική κατάσταση του πρώιμου σύμπαντος θα μπορούσε να ποικίλλει από περιοχή σε περιοχή με χαοτικό τρόπο: χαμηλή ενέργεια εδώ, μετρίως διεγερμένη κατάσταση εκεί, εντόνως διεγερμένη σε άλλες περιοχές. Ο πληθωρισμός θα εμφανιζόταν στις περιοχές όπου η κατάσταση ήταν διεγερμένη. Επιπλέον, οι υπολογισμοί του Linde για τη συμπεριφορά της κβαντικής κατάστασης έδειξαν σαφώς ότι οι ανώτερες διεγερμένες καταστάσεις θα διαστέλλονταν με ταχύτερο ρυθμό απ’ ό,τι οι άλλες, ενώ θα αποδιεγείρονταν με αργότερο ρυθμό · έτσι, όσο πιο διεγερμένη ήταν η κατάσταση σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου, τόσο περισσότερο το σύμπαν θα διαστελλόταν πληθωριστικά σ’ αυτή την περιοχή. Είναι προφανές ότι ύστερα από πολύ σύντομο χρονικό διάστημα οι περιοχές του χώρου όπου τυχαία η ενέργεια ήταν υψηλότερη, και συνεπώς η πληθωριστική διαστολή ταχύτερη, θα είχαν διογκωθεί περισσότερο από όλες τις άλλες και θα καταλάμβαναν τη μερίδα του λέοντος από τον συνολικό χώρο.

Ο Linde παρομοιάζει αυτή την κατάσταση με τη δαρβινική εξέλιξη ή τα οικονομικά. Μια επιτυχημένη κβαντική διακύμανση που οδηγεί σε ανώτερη διεγερμένη κατάσταση, αν και σημαίνει δανεισμό μεγάλου ποσού ενέργειας, επιβραβεύεται αμέσως από την τεράστια αύξηση του όγκου της περιοχής όπου συνέβη. Επομένως, οι περιοχές που δανείζονται μεγάλα ποσά ενέργειας και διαστέλλονται υπερπληθωριστικα σύντομα θα κυριαρχήσουν. Εξαιτίας του χαοτικού πληθωρισμού, το σύμπαν θα διαχωριζόταν σε μια ομάδα μίνι-συμπάντων, ή φυσαλίδων, μερικά από τα οποία θα διαστέλλονταν πληθωριστικά «σαν τρελά», ενώ άλλα δεν θα διαστέλλονταν καθόλου. Λόγω των τυχαίων διακυμάνσεων, μερικές περιοχές θα είχαν πολύ υψηλές ενέργειες διέγερσης, και επομένως σ’ αυτές τις περιοχές θα συντελούνταν πολύ μεγαλύτερη πληθωριστική διαστολή απ’ όση είχε υποτεθεί στην αρχική θεωρία. Ωστόσο, επειδή αυτές ακριβούς είναι οι περιοχές που διαστέλλονται περισσότερο, ένα τυχαία επιλεγμένο σημείο στο μεταπληθωριστικό σύμπαν είναι πολύ πιθανό να βρίσκεται σε μια τέτοια περιοχή. Έτσι, και η δική μας θέση στο Διάστημα πιθανότατα βρίσκεται βαθιά στο εσωτερικό μιας τέτοιας περιοχής που έχει διασταλεί υπερπληθωριστικά.

O Linde υπολόγισε ότι τέτοιες «μεγάλες φυσαλίδες» μπορεί να έχουν προκύψει από διαστολή κατά έναν παράγοντα ίσο με το 10 υψωμένο στα εκατό εκατομμύρια μηδενικά!. Μέσα στη δική μας φυσαλίδα—η οποία εκτείνεται σε τεράστιες αποστάσεις πέρα από το σύμπαν που είναι σήμερα παρατηρήσιμο—, ύλη και ενέργεια είναι σχεδόν ομοιόμορφα κατανεμημένες. Ωστόσο, πέρα από αυτήν βρίσκονται άλλες φυσαλίδες, καθώς επίσης και περιοχές που είναι ακόμη στη διαδικασία του πληθωρισμού. Στην πραγματικότητα, στο μοντέλο του Linde ο πληθωρισμός δεν παύει ποτέ: υπάρχουν πάντα περιοχές του χώρου όπου συντελείται πληθωριστική διαστολή και όπου νέες φυσαλίδες σχηματίζονται, ακόμη και όταν άλλες ολοκληρώνουν τον κύκλο της ζωής τους και πεθαίνουν.

Έτσι, αυτή είναι μια μορφή αιώνιου σύμπαντος, παρόμοια με εκείνη της θεωρίας των συμπάντων-βρεφών, όπου νέα ζωή και νέα σύμπαντα αναδύονται αιώνια. Δεν υπάρχει τέλος στην παραγωγή νέων φυσαλίδων-συμπάντων μέσω πληθωρισμού — και πιθανώς ούτε αρχή, αν και όσον αφορά αυτό το ζήτημα υπάρχουν τώρα κάποιες διαφωνίες.

“Το Σύμπαν μοιάζει πραγματικά, όχι όπως μια φυσαλίδα, αλλά όπως μια φυσαλίδα που παράγει νέες φυσαλίδες”, εξηγεί ο Linde. “Ζούμε σε ένα μικροσκοπικό μέρος της μιας φυσαλίδας, και κοιτάζουμε γύρω μας και λέμε”, αυτός είναι ο Κόσμος μας.” Μερικοί θεωρητικοί προσπάθησαν να ξεπεράσουν τις όποιες δυσκολίες του προηγούμενου μοντέλου, εγκαταλείποντας τη θεωρία με τις GUT, η οποία δεν είναι καλά κατανοητή, και υιοθετώντας μια άλλη θεωρία, τη SUSY (υπερσυμμετρία), η οποία είναι ακόμα λιγότερο κατανοητή.  Η βασική όμως ιδέα μοιάζει σήμερα αρκετά δυνατή και αρκετά καλά εδραιωμένη, ώστε να έχουμε τόση εμπιστοσύνη στο γεγονός ότι στην αρχή της ζωής του Σύμπαντος υπήρξε μια περίοδος πληθωρισμού, που «φούσκωσε» ένα χώρο με το μέγεθος του Πλανκ (1O-43 εκατοστά) στο μέγεθος όλων αυτών που βλέπουμε γύρω μας, όση εμπιστοσύνη έδειξε κι ο Gamov στην ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης, πριν από εξήντα χρόνια.

Print Friendly, PDF & Email

About the author

physics4u

Share