Θεωρίες φυσικής Κοσμολογία

Ο πληθωρισμός σαν ιστορία

Written by Δ.Μ.

Μια από τις ιδιομορφίες του πληθωρισμού, είναι ότι φαίνεται να συμβαίνει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Ακόμα και το φως χρειάζεται 30 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να διασχίσει ένα εκατοστόμετρο μήκους. Ο πληθωρισμός όμως διαστέλλει το σύμπαν από μια διάμετρο μικρότερη αυτής του πρωτονίου σε διάμετρο 10 cm σε χρόνο 15 Χ 10-33 sec. Κάτι τέτοιο είναι δυνατόν, γιατί αυτό που διαστέλλεται είναι ο ίδιος ο χωροχρόνος και μεταφέρει μαζί του την ύλη. Τίποτα δεν κινείται ταχύτερα από το φως μέσα στον χωροχρόνο, είτε κατά την διάρκεια του πληθωρισμού, είτε και ύστερα από αυτήν. Πράγματι, επειδή η ίδια η διαστολή του χωροχρόνου λαμβάνει χώρα τόσο γρήγορα, η ύλη δεν προλαβαίνει να μετακινηθεί σημαντικά στο χρονικό αυτό διάστημα, και η διαδικασία αυτή «παγώνει» την αρχική ομοιογένεια της πρωταρχικής κβαντικής φυσαλίδας που εξελίχθηκε κατόπιν σε σύμπαν.

Print Friendly, PDF & Email

Μια από τις ιδιομορφίες του πληθωρισμού, είναι ότι φαίνεται να συμβαίνει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Ακόμα και το φως χρειάζεται 30 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να διασχίσει ένα εκατοστόμετρο μήκους. Ο πληθωρισμός όμως διαστέλλει το σύμπαν από μια διάμετρο μικρότερη αυτής του πρωτονίου σε διάμετρο 10 cm σε χρόνο 15 Χ 10-33 sec. Κάτι τέτοιο είναι δυνατόν, γιατί αυτό που διαστέλλεται είναι ο ίδιος ο χωροχρόνος και μεταφέρει μαζί του την ύλη. Τίποτα δεν κινείται ταχύτερα από το φως μέσα στον χωροχρόνο, είτε κατά την διάρκεια του πληθωρισμού, είτε και ύστερα από αυτήν. Πράγματι, επειδή η ίδια η διαστολή του χωροχρόνου λαμβάνει χώρα τόσο γρήγορα, η ύλη δεν προλαβαίνει να μετακινηθεί σημαντικά στο χρονικό αυτό διάστημα, και η διαδικασία αυτή «παγώνει» την αρχική ομοιογένεια της πρωταρχικής κβαντικής φυσαλίδας που εξελίχθηκε κατόπιν σε σύμπαν.  inflation

Το πληθωριστικό σενάριο πέρασε από διάφορα στάδια ανάπτυξης κατά τη σύντομη ιστορία του. Το πρώτο πληθωριστικό μοντέλο αναπτύχθηκε από τον Alexei Starobinsky, στο Ινστιτούτο L. D. Landau για τη θεωρητική φυσική στη Μόσχα στα τέλη της δεκαετίας του 1970, αλλά τότε δεν χρησιμοποιήθηκε ο όρος πληθωρισμός. Το αρχικό ήταν ένα πολύ περίπλοκο μοντέλο βασισμένο σε μια κβαντική θεωρία βαρύτητας, αλλά προκάλεσε αίσθηση μεταξύ των κοσμολόγων της τότε Σοβιετικής Ένωσης και έμεινε γνωστό ως το «μοντέλο Starobinsky» για το σύμπαν. Δυστυχώς, εξαιτίας των δυσκολιών που είχαν τότε οι επιστήμονες της Σοβιετικής Ένωσης να ταξιδέψουν έξω από τα σύνορα της χώρας τους, το μοντέλο αυτό δεν διαδόθηκε στη Δύση.

Το 1981, ο Alan Guth, τότε στο MIT, δημοσίευσε μια διαφορετική εκδοχή του πληθωριστικού σεναρίου, μη γνωρίζοντας τίποτα για την δουλειά του Starobinsky. Η εκδοχή αυτή ήταν πιο προσιτή, τόσο γιατί ήταν πιο κατανοητή όσο και γιατί ο Guth ζούσε στις ΗΠΑ και μπορούσε να σχολιάζει ελεύθερα τις ιδέες του με τους συναδέλφους του ανά τον κόσμο. Προφανώς υπήρχαν κάποια μειονεκτήματα με τις συγκεκριμένες λεπτομέρειες του αρχικού μοντέλου του Guth, που ο ίδιος τα αναγνώρισε αμέσως. Ειδικότερα, το μοντέλο του Guth άφηνε το σύμπαν μετά τον πληθωρισμό, γεμάτο με ένα συνονθύλευμα φυσαλίδων, που όλες τους διαστέλλονταν με τον δικό τους τρόπο και συγκρούονταν η μία με την άλλη. Δεν βλέπουμε καμιά ένδειξη γι αυτές τις φυσαλίδες στο πραγματικό σύμπαν, κι έτσι προφανώς το απλούστερο αυτό μοντέλο του πληθωρισμού δεν μπορούσε να είναι σωστό. Αλλά ήταν αυτή ακριβώς η εκδοχή της πληθωριστικής ιδέας που έκανε γνωστή στους κοσμολόγους τη δύναμη της θεωρίας.

inflation-universeΤον Οκτώβριο του 1981, έγινε μια διεθνής συνάντηση στη Μόσχα, όπου η θεωρία του πληθωρισμού ήταν το κέντρο των συζητήσεων. Ο Stephen Hawking παρουσίασε μια εργασία που ισχυριζόταν ότι ο πληθωρισμός δεν μπορούσε να δουλεύει καθόλου, αλλά ο Ρώσσος κοσμολόγος Andrei Linde παρουσίασε μια βελτιωμένη εκδοχή, που την αποκαλούσε «νέο πληθωρισμό», η οποία ξεπερνούσε τις δυσκολίες που παρουσίαζε το μοντέλο του Guth.

Κατά ειρωνεία της τύχης ο Linde ήταν ο μεταφραστής της ομιλίας του Hawking και είχε την άχαρη δουλειά να παρουσιάσει στο κοινό τον αντίλογο προς τη δική του εργασία! Αλλά μετά τις τυπικές παρουσιάσεις ο Hawking πείσθηκε ότι ο Linde είχε δίκιο, και ο πληθωρισμός μπορούσε εν τέλει να δουλεύει.

Μέσα σε λίγους μήνες, το νέο πληθωριστικό σενάριο δημοσιεύτηκε επίσης από τον Andreas Albrecht και τον  Paul Steinhardt, του πανεπιστημίου της Pennsylvania, και μέχρι το τέλος του 1982, ο πληθωρισμός είχε πια καθιερωθεί. Ο Linde ενεπλάκη σχεδόν σε κάθε σημαντική εξέλιξη της θεωρίας από τότε.

Το επόμενο βήμα έγινε όταν αναγνωρίστηκε ότι δεν χρειαζόταν να ισχύει τίποτε ιδιαίτερο στην περιοχή της κλίμακας Planck ώστε να φτάσει να γίνει το Σύμπαν μας. Αν η περιοχή αυτή ήταν μέρος μιας μεγαλύτερης περιοχής στην οποία μπορούσαν να εμφανίζονται όλα τα είδη των βαθμωτών πεδίων, τότε μόνον οι περιοχές εκείνες στις οποίες αυτά τα πεδία δημιουργούσαν πληθωρισμό, θα μπορούσαν να οδηγηθούν στην κατάσταση ενός τεράστιου σύμπαντος σαν το δικό μας. Ο Linde αποκάλεσε αυτή την κατάσταση χαοτικό πληθωρισμό, γιατί τα βαθμωτά πεδία μπορούσαν να έχουν οποιαδήποτε τιμή σε διαφορετικές θέσεις του αρχικού υπέρ-σύμπαντος.

I02-24-inflation1Αυτή είναι η καθιερωμένη εκδοχή του πληθωρισμού σήμερα, και μπορεί να θεωρηθεί ως παράδειγμα εκείνων των σεναρίων που σχετίζονται με τη λεγόμενη ανθρωπική αρχή (σημειώστε όμως ότι αυτή η χρήση του όρου χάος, είναι σαν την καθημερινή σημασία της λέξης, που σημαίνει μια περίπλοκη, μπερδεμένη κατάσταση, και δεν έχει τίποτα να κάνει με το μαθηματικό αντικείμενο που είναι γνωστό ως «θεωρία χάους»). 

Η ιδέα του χαοτικού πληθωρισμού οδήγησε σε αυτό που είναι γνωστό μέχρι σήμερα, ως η τελευταία λέξη του πληθωριστικού σεναρίου.

Η μεγάλη αναπάντητη ερώτηση στην καθιερωμένη κοσμολογία του Big Bang είναι, τί υπήρχε πριν από την αρχική ανωμαλία;

Συχνά λέγεται ότι η ερώτηση αυτή δεν έχει νόημα, επειδή ο χρόνος ξεκίνησε μαζί με την ανωμαλία. Όμως ο χαοτικός πληθωρισμός μας λέει ότι το σύμπαν μας προήλθε από μια κβαντική διακύμανση σε μια προϋπάρχουσα περιοχή του χωροχρόνου, και ότι ακριβώς ισοδύναμες διαδικασίες μπορούν να δημιουργήσουν περιοχές πληθωρισμού μέσα στο δικό μας σύμπαν. Ως αποτέλεσμα, νέα σύμπαντα μπορούν να γεννηθούν από το δικό μας, και το σύμπαν μας το ίδιο μπορεί να έχει προκύψει από άλλο σύμπαν, με διαδικασία που δεν έχει ούτε αρχή ούτε τέλος. Μια παραλλαγή αυτού του θέματος μας λέει ότι η γέννηση συμπάντων γίνεται μέσω μαύρων τρυπών, και ότι κάθε φορά που μια μαύρη τρύπα καταρρέει σε μια ανωμαλία, «αναπηδά» σε ένα άλλο νέο σύνολο χωροχρονικών διαστάσεων, δημιουργώντας ένα νέο πληθωριστικό σύμπαν. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται σενάριο των βρεφών συμπάντων.

Υπάρχουν ομοιότητες  μεταξύ της ιδέας του αιώνιου πληθωρισμού και του αυτο-αναπαραγόμενου σύμπαντος, και της εκδοχής της Μόνιμης Κατάστασης του σύμπαντος, που αναπτύχθηκε στην Αγγλία από τους Fred Hoyle και Jayant Narlikar, όπου εκεί το πεδίο-C παίζει το ρόλο του βαθμωτού πεδίου που οδηγεί τον πληθωρισμό. Όπως παρατήρησε ο ίδιος ο Hoyle σε μια συνάντηση της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρίας στο Λονδίνο το 1994, οι σχετικές εξισώσεις στη θεωρία του πληθωρισμού είναι ακριβώς οι ίδιες όπως αυτές στη δική του εκδοχή της ιδέας της Μόνιμης Κατάστασης, αλλά με το γράμμα C να έχει αντικατασταθεί με το γράμμα «Ø». «Αυτό», είπε ειρωνικά ο Hoyle, «κάνει όλη τη διαφορά στον Κόσμο.»

Οι σύγχρονοι υποστηρικτές του πληθωριστικού σεναρίου έφτασαν στις εξισώσεις τους, τελείως ανεξάρτητα από τη προσέγγιση του Hoyle, και δεν είναι πρόθυμοι να παραδεχτούν αυτή την αναλογία, αφού έχουν στηριχτεί στο μοντέλο του Big Bang. Πράγματι, όταν ο Guth ρωτήθηκε στα 1980, πως σχετιζόταν η νέα τότε θεωρία του πληθωρισμού με την θεωρία της Μόνιμης Κατάστασης, φέρεται ότι απάντησε: «Τι είναι η θεωρία της Μόνιμης Κατάστασης;» Πάντως αν και ο πληθωρισμός θεωρείται γενικά ως εξέλιξη της κοσμολογίας του Big Bang,  ίσως είναι καλύτερα να τον δούμε ως σύζευξη των καλύτερων χαρακτηριστικών τόσο του Big Bang όσο και της θεωρίας της Μόνιμης Κατάστασης.

Όλη αυτή η ιστορία μπορεί να θεωρηθεί ως μια φιλοσοφική διαμάχη, τόσο ανώφελη όσο η διαμάχη για το πόσοι άγγελοι μπορούν να χωρέσουν χορεύοντας στη μύτη μιας βελόνας, όμως υπάρχει το γεγονός ότι οι παρατηρήσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου που εκτέλεσε ο δορυφόρος COBE, μας έδωσε σχηματισμούς μικροσκοπικών ανωμαλιών, τους οποίους προβλέπει ο πληθωρισμός.

Μια από τις πρώτες αμφισβητήσεις του πληθωρισμού, ήδη από το 1981, ήταν ότι παραήταν καλός για να είναι αληθινός. Πιο συγκεκριμένα, αν η διαδικασία αυτή ήταν τόσο αποτελεσματική για την εξομάλυνση του σύμπαντος, πως θα μπορούσαν διάφορες ανωμαλίες στο μέγεθος των γαλαξιών, ή σμηνών γαλαξιών να έχουν δημιουργηθεί;

Όταν όμως οι ερευνητές κοίταξαν πιο προσεκτικά τις εξισώσεις, αναγνώρισαν ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις θα μπορούσαν επίσης να έχουν δημιουργήσει μικροσκοπικές ρυτιδώσεις στην δομή του σύμπαντος, ακόμη και όταν το σύμπαν είχε μέγεθος της τάξης του 10-25cm, δηλαδή 100 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το μήκος Planck.

Print Friendly, PDF & Email

About the author

Δ.Μ.