Μπορεί να ακούγεται παράξενο, αλλά ακόμη και το κενό έχει μια πολύ σύνθετη δομή. Έχει, σιωπηρά θα λέγαμε, όλες τις ιδιότητες που μπορεί να έχει ένα σωματίδιο: σπιν, ή πόλωση στην περίπτωση του φωτός, ενέργεια, και λοιπά. Κατά μέσον όρο, όλες αυτές οι ιδιότητες εξουδετερώνονται: το κενό είναι τελικά, “άδειο” από αυτή την άποψη. Μια σημαντική εξαίρεση είναι η ενέργεια του κενού.
Η ενέργεια του κενού μπορεί επίσης να μελετηθεί από την άποψη των εικονικών σωματιδίων, (που επίσης είναι γνωστά ως διακυμάνσεις του κενού) τα οποία δημιουργούνται και καταστρέφονται στο κενό. Αυτά τα σωματίδια δημιουργούνται πάντα από το κενό ανά ζεύγη σωματίων-αντισωματίων, τα οποία εξαϋλώνονται σύντομα και εξαφανίζονται. Εντούτοις, αυτά τα ζεύγη των εικονικών σωματιδίων μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλα προτού εξαφανιστούν, μια διαδικασία που μπορεί να σχεδιαστεί με τα διαγράμματα Feynman.
Η απλή εικόνα του κβαντικού κενού στο οποίο ζουν ‘εν δυνάμει’ ή εικονικά σωματίδια τροποποιείται αν λάβουμε υπόψη ότι, όπως τα υποατομικά σωματίδια υπόκεινται σε διάφορες δυνάμεις που το είδος τους εξαρτάται από τον τύπο του σωματιδίου, έτσι και μεταξύ των εν δυνάμει (ή εικονικών) σωματιδίων δρουν οι ίδιες δυνάμεις. Συνεπώς, είναι δυνατόν να υπάρχουν περισσότερα από ένα είδος κατάστασης κενού. Η ύπαρξη πολλών δυνατών «κβαντικών καταστάσεων» είναι γνωστό χαρακτηριστικό της κβαντικής φυσικής, όπως υπάρχουν και οι διάφορες ενεργειακές στάθμες των ατόμων.
Για παράδειγμα, σε ένα άτομο ένα ηλεκτρόνιο είναι δυνατόν να φύγει από την θέση που βρίσκεται, να μεταβεί δηλαδή σε υψηλότερη ενεργειακή στιβάδα, και το άτομο να διεγερθεί. Η χαμηλότερη στάθμη ενέργειας ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση, και είναι η πιο σταθερή· οι υψηλότερες στάθμες είναι διεγερμένες καταστάσεις, και είναι, ασταθείς. Αν το ηλεκτρόνιο του διεγερμένου ατόμου επανέλθει στη θεμελιώδη του κατάσταση, θα πραγματοποιήσει μία ή και περισσότερες προς τα κάτω μεταβάσεις· έτσι λέμε ότι το άτομο αποδιεγείρεται και μάλιστα σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα.
Παρόμοιες αρχές ισχύουν και για το κενό το οποίο μπορεί, επίσης, να έχει μία ή περισσότερες διεγερμένες καταστάσεις. Αυτές οι καταστάσεις του κενού θα έχουν πολύ διαφορετικές ενέργειες, αν και θα φαίνονταν απολύτως όμοιες. Η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (δηλαδή η θεμελιώδης κατάσταση) ονομάζεται μερικές φορές αληθές κενό, ονομασία που εκφράζει το γεγονός ότι πρόκειται για σταθερή κατάσταση και ενδεχομένως για αυτήν που αντιστοιχεί στις κενές περιοχές του σύμπαντος, όπως αυτές παρατηρούνται σήμερα: Ένα διεγερμένο κενό αντίθετα αναφέρεται ως ψευδές κενό ή ψευδοκενό.
Πρέπει να τονίσουμε ότι το ψευδοκενό παραμένει μια καθαρά θεωρητική ιδέα, και οι ιδιότητες του εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκεκριμένη θεωρία που χρησιμοποιούμε. Ωστόσο, η ύπαρξη του προκύπτει αβίαστα στις πιο πρόσφατες θεωρίες που στοχεύουν στην ενοποίηση των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης.
Οι διάφορες Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες προβλέπουν, επίσης, τον πλέον ελπιδοφόρο μηχανισμό του κοσμικού πληθωρισμού. Ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό αυτών των θεωριών είναι ότι η ενέργεια των καταστάσεων του ψευδοκενού είναι τεράστια: τυπικά σε 1 cm3 χώρου θα περιέχονται 1087 Joule. Ακόμη και ο όγκος ενός μόνο ατόμου, σε μια τέτοια κατάσταση, θα περιέχει 1062 J. Για σύγκριση η ενέργεια που έχει ένα διεγερμένο άτομο είναι της τάξης 10-18 Joule περίπου. Άρα για να διεγερθεί το αληθές κενό, χρειάζεται υπερβολικά πολλή ενέργεια, και επομένως δεν περιμένουμε να βρούμε κάποιο ψευδοκενό στο σύμπαν σήμερα. Από την άλλη πλευρά, με δεδομένες τις ακραίες συνθήκες που ίσχυαν την περίοδο της Μεγάλης Έκρηξης, αυτοί οι αριθμοί είναι εύλογοι.
Η τεράστια ενέργεια που σχετίζεται με τις καταστάσεις του ψευδοκενού ασκεί ισχυρή βαρυτική επίδραση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όπως έδειξε ο Αϊνστάιν, η ενέργεια έχει μάζα, και συνεπώς ασκεί και αυτή βαρυτική έλξη, όπως ακριβώς και η κανονική ύλη. Η βαρυτική επίδραση της τεράστιας ενέργειας του κβαντικού κενού είναι ισχυρότατα ελκτική: η ενέργεια 1 cm3 του ψευδοκενού έχει μάζα 1067 τόνους, που είναι μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα του σύμπαντος, που μπορούμε σήμερα να παρατηρούμε (περίπου 1050 τόνοι).
Η εν λόγω κολοσσιαία βαρύτητα δεν βοηθάει στην πρόκληση κοσμικού πληθωρισμού, αφού ο τελευταίος απαιτεί κάποιο είδος αντι-βαρύτητας. Εντούτοις, η τεράστια ενέργεια του ψευδοκενού συνδέεται με μια εξίσου τεράστια πίεση του ψευδοκενού, και αυτή ακριβώς είναι που λύνει το πρόβλημα του πληθωρισμού, γιατί είναι αρνητική! Συνήθως, δεν θεωρούμε την πίεση ως πηγή βαρύτητας, αλλά στην πραγματικότητα είναι. Αν και η πίεση ασκεί απωστική μηχανική δύναμη, προκαλεί και βαρυτική έλξη. Στην περίπτωση των συνηθισμένων σωμάτων η βαρυτική επίδραση της πίεσης είναι αμελητέα συγκρινόμενη με την επίδραση της μάζας του σώματος. Για παράδειγμα, λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του βάρους σας στη Γη οφείλεται στην εσωτερική πίεση της. Παρ’ όλα αυτά, η επίδραση της πίεσης είναι πραγματική, και σ’ ένα σύστημα στο οποίο φτάνει σε ακραίες τιμές, η βαρυτική επίδραση της μπορεί να συναγωνιστεί την αντίστοιχη της μάζας.
Στην περίπτωση του ψευδοκενού υπάρχει κολοσσιαία ενέργεια και συγκρίσιμη κολοσσιαία πίεση, οι οποίες ανταγωνίζονται για τη βαρυτική επικράτηση. Η κρίσιμη ιδιότητα, ωστόσο, είναι το ότι η πίεση είναι αρνητική. Επομένως, το ψευδοκενό δεν ωθεί· αναρροφά. Μια αρνητική πίεση παράγει αρνητική βαρυτική δράση, με άλλα λόγια, αντιβαρύτητα.
Έτσι, η βαρυτική επίδραση του ψευδοκενού εμπεριέχει έναν ανταγωνισμό, μεταξύ της τεράστιας ελκτικής επίδρασης της ενέργειας του και της τεράστιας απωστικής επίδρασης της αρνητικής πίεσης του. Αποδεικνύεται ότι η πίεση τελικά επικρατεί, και το συνολικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας απωστικής δύναμης τόσο μεγάλης, που μπορεί να διαλύσει το σύμπαν σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Αυτή η γιγαντιαία πληθωριστική ώθηση προκάλεσε το διπλασιασμό του μεγέθους του σύμπαντος κάθε 10-34 δευτερόλεπτα στις πρώτες του στιγμές.
Το ψευδοκενό είναι από τη φύση του ασταθές. Όπως όλες οι διεγερμένες κβαντικές καταστάσεις, τείνει και αυτό να ‘αποδιεγερθεί’ στη θεμελιώδη κατάσταση του, δηλαδή στο αληθές κενό. Αυτό πιθανώς συμβαίνει έπειτα από μερικές δεκάδες ‘τικ’ (μια ασήμαντη χρονική διάρκεια). Όντας κβαντική διαδικασία, υπόκειται στην αναπόφευκτη αβεβαιότητα και τις τυχαίες διακυμάνσεις, όπως λέει η αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg. Αυτό σημαίνει ότι η αποδιέγερση δεν θα συμβεί ομοιόμορφα σε όλο το χώρο: θα υπάρχουν διακυμάνσεις. Μερικοί θεωρητικοί φυσικοί υποθέτουν ότι αυτό αποτελεί την πηγή των διακυμάνσεων που παρατηρήθηκαν από τον δορυφόρο WMAP που έκανε τη χαρτογράφηση των διακυμάνσεων των μικροκυμάτων στον ουρανό.
Από τη στιγμή που το ψευδοκενό έχει αποδιεγερθεί, το σύμπαν ξαναρχίζει την κανονική επιβραδυνόμενη διαστολή του. Η ενέργεια που υπήρχε εγκλωβισμένη στο ψευδοκενό ελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας. Στο τέλος του κοσμικού πληθωρισμού η τεράστια διαστολή είχε ψύξει το σύμπαν σε μια θερμοκρασία πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν. Με το τέλος του πληθωρισμού, όμως, η θερμότητα που ελευθερώνεται το αναθερμαίνει ξαφνικά στην τεράστια θερμοκρασία των 1028 βαθμών. Αυτή η απέραντη δεξαμενή θερμότητας που δημιουργήθηκε τότε επιζεί και σήμερα, με τη μορφή της θερμικής ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου.
Ένα παραπροϊόν της απελευθέρωσης της ενέργειας του κενού είναι ότι τα πολλά εν δυνάμει σωματίδια που υπήρχαν σ’ αυτό (στο κενό δηλαδή) προσέλαβαν ένα μικρό ποσό ενέργειας και προήχθησαν σε πραγματικά σωματίδια. Έπειτα από περαιτέρω διεργασίες και μεταβολές, ένα υπόλειμμα αυτών των αρχέγονων σωματιδίων έφτασε σήμερα να αποτελεί τους 1050 τόνους της ύλης που βλέπουμε στο παρατηρήσιμο σύμπαν.
Αν το πληθωριστικό σενάριο βρίσκεται στον σωστό δρόμο — και οι κοσμολόγοι είναι πεπεισμένοι γι’ αυτό —, τότε η βασική δομή και τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος καθορίστηκαν από διαδικασίες που είχαν ολοκληρωθεί ήδη στα 10-32 δευτερόλεπτα!
Πολλοί επιστήμονες, ανάμεσα τους και ο Weinberg, πιστεύουν ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, που εκφράζεται από την κοσμολογική σταθερά Λ. Όμως στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε το λεγόμενο πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς (cosmological constant problem).
Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, όλα τα κβαντικά πεδία, ακόμα και όταν βρίσκονται στη βασική μη διεγερμένη κατάσταση, έχουν μη μηδενική ενέργεια. Απλοί υπολογισμοί της κβαντικής θεωρίας πεδίου οδηγούν σε τιμές για την πυκνότητα της ενέργειας του κενού (δηλαδή για την κοσμολογική σταθερά Λ), που είναι 120 τάξεις μεγέθους (10120) μεγαλύτερη από την πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης (όπως παρατηρείται στο σύμπαν).
Όμως πρώτον, μια τόσο μεγάλη πυκνότητα ενέργειας του κενού χώρου θα προκαλούσε μια εκθετικά επιταχυνόμενη κοσμική διαστολή που θα διέλυε όλους τους ηλεκτροστατικούς και πυρηνικούς δεσμούς, οι οποίοι συγκρατούν τους πυρήνες, τα άτομα και τα μόρια.
Και δεύτερον μετρήσεις στο χώρο της κοσμολογίας δίνουν ένα αρνητικό αποτέλεσμα, δείχνοντας έτσι έναν ανώτερο όριο της κοσμολογικής σταθεράς Λ.
Έτσι, η τελευταία τιμή υπονοεί ότι στην συνολική κλίμακα του σύμπαντος, τα φαινόμενα των διακυμάνσεων του κενού ακυρώνονται. Κι αυτή η αξιολόγηση έρχεται και σε μία εποχή, που οι θεωρητικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν συνεισφορές της διακύμανσης του κενού από τα κουάρκ με μια τάξη 10-6 m-2.
Από τη θεωρία του πληθωρισμού προκύπτει κάτι καταπληκτικό. Οι μεγάλες συγκεντρώσεις της ύλης –σμήνη γαλαξιών, υπερσμήνη και γαλαξίες– προέρχονται σύμφωνα με τη θεωρία από τις κβαντικές διακυμάνσεις όταν το σύμπαν είχε ηλικία 10-35 δευτερόλεπτα!
Το περίεργο της κβαντικής φυσικής είναι ότι επιτρέπει στο σύμπαν μας να δημιουργηθεί από το τίποτα, από το κενό. Γιατί επιτρέπει να δημιουργούνται σωματίδια και γρήγορα να εξαφανίζονται με μια διαδικασία που λέγεται “διακύμανση του κενού”.
Σε αυτό το μοντέλο προβλέπεται επίσης να δημιουργήθηκαν 1078 περιοχές, που δημιούργηθηκαν τη χρονική στιγμή 10-35 sec μετά το Big Bang! Μια από τις περιοχές αυτές σχημάτισε το γνωστό μας Σύμπαν.
Το σύμπαν λοιπόν χρειαζόταν τον πληθωρισμό για να “πάρει μπροστά” επειδή όταν πρωτοεμφανίστηκε, ήταν μια μικρή μπάλα μεγέθους 10-35 m, ύλης και ενέργειας περίπου 1020 φορές μικρότερο από το πρωτόνιο.
Πηγές: Paul Davies, Martin Rees, Coleman, Frank De Luccia, Wikipedia
