Oops! It appears that you have disabled your Javascript. In order for you to see this page as it is meant to appear, we ask that you please re-enable your Javascript!
Θεωρίες φυσικής Κοσμολογία

Ποιό είναι το σχήμα του σύμπαντος;

Written by Δ.Μ.

Όσοι έχουν διαβάσει εκλαϊκευμένα βιβλία της φυσικής και της αστρονομίας, συχνά βλέπουν ότι το big bang εξηγείται με τη χρήση μιας εικόνας που περιγράφει ένα σύμπαν δύο διαστάσεων (σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού) που επεκτείνεται στις τρεις διαστάσεις. Τι σχήμα όμως έχει στην πραγματικότητα το σύμπαν; Για το σχήμα υπάρχουν τρεις γενικές δυνατότητες σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας: Είτε είναι σφαιρικό και πεπερασμένο, είτε σε μια εντελώς ειδική περίπτωση επίπεδο και άπειρο, είτε υπερβολικό και άπειρο.

Share

Όσοι έχουν διαβάσει εκλαϊκευμένα βιβλία της φυσικής και της αστρονομίας, συχνά βλέπουν ότι το big bang εξηγείται με τη χρήση μιας εικόνας που περιγράφει ένα σύμπαν δύο διαστάσεων (σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού) που επεκτείνεται στις τρεις διαστάσεις. Τι σχήμα όμως έχει στην πραγματικότητα το σύμπαν; Για το σχήμα υπάρχουν τρεις γενικές δυνατότητες σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας: Είτε είναι σφαιρικό και πεπερασμένο, είτε σε μια εντελώς ειδική περίπτωση επίπεδο και άπειρο,  είτε υπερβολικό και άπειρο.

universe-planck

Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου ή CMB  (η λάμψη που απέμεινε από το Big Bang), όπως την συνέλαβαν τα διαστημικά παρατηρητήρια WMAP και Planck μας έδειξαν το σχήμα του σύμπαντος. Η CMB, δεν είναι ομοιόμορφη, αλλά έχει μικροσκοπικές ατέλειες και διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην κλίμακα μερικών εκατοντάδων microkelvin. Αν και αυτό παίζει μεγάλο ρόλο στις τελευταίες στιγμές μετά από την βαρυτική ανάπτυξη, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι το πρώιμο Σύμπαν και το μεγάλης κλίμακας σημερινό σύμπαν είναι μόνο μη ομοιόμορφο σε επίπεδο μικρότερο του 0,01%.

Πρώτον, όπως και το μπαλόνι, το σύμπαν μπορεί να έχει αυτό που λέμε θετική καμπυλότητα, σαν μια σφαίρα. Στην περίπτωση αυτή, που ονομάζουμε «κλειστό» σύμπαν, το σύμπαν θα είναι πεπερασμένο σε μέγεθος, αλλά χωρίς όρια, όπως και το μπαλόνι. Σε ένα κλειστό σύμπαν, θα μπορούσε, κατ ‘αρχήν, να πετάξει ένα διαστημόπλοιο συνεχώς προς τη μια κατεύθυνση και να επιστρέψει στο σημείο από όπου ξεκίνησε. Το κλειστό σύμπαν είναι επίσης κλειστό και στον χρόνο: αυτό τελικά θα σταματήσει κάποτε την διαστολή, και έπειτα θα γίνει αυτό που λέμε «Μεγάλη Σύνθλιψη«, δηλαδή το σύμπαν θα φτάσει στο σημείο που ξεκίνησε.  Όλη η γνωστή γεωμετρία που ξέρουμε σε μια σφαίρα είναι επίσης ίδια και σε ένα κλειστό σύμπαν: για παράδειγμα οι παράλληλες γραμμές τελικά συγκλίνουν (π.χ. οι μεσημβρινοί που είναι παράλληλοι στον ισημερινό, συγκλίνουν τελικά στο πόλους), τα μεγάλα τρίγωνα έχουν πάνω από 180 μοίρες, κλπ. 

curvature

Η δεύτερη δυνατότητα που έχει ένα σύμπαν είναι να είναι επίπεδο ή με μηδενική καμπυλότητα. Αυτό το είδος του σύμπαντος, μπορείτε να το φανταστείτε αν κόψετε μια φέτα του υλικού από ένα μπαλόνι και το απλώσετε με τα χέρια σας. Η επιφάνεια του υλικού είναι επίπεδη, δεν είναι κυρτή, αλλά μπορείτε να το ανοίξετε βάζοντας δύναμη σε κάθε άκρο του. Το επίπεδο σύμπαν είναι άπειρο σε έκταση στο χώρο, και δεν έχει όρια. Οι παράλληλες γραμμές είναι πάντα παράλληλες και τα τρίγωνα έχουν πάντα 180 μοίρες. Το επίπεδο σύμπαν θα εκτείνεται για πάντα, αλλά ο ρυθμός διαστολής προσεγγίζει το μηδέν.

Τέλος, το σύμπαν μπορεί να είναι ανοικτό, ή να έχει αρνητική καμπυλότητα σύμφωνα με τους μαθηματικούς. Αυτό είναι ένα είδος σύμπαντος σε σχήμα σέλας. Επίσης, είναι άπειρο και χωρίς όρια. Οι παράλληλες γραμμές τελικά αποκλίνουν, και τα τρίγωνα έχουν λιγότερο από 180 μοίρες. Τα ανοικτά σύμπαντα θα διαστέλλονται για πάντα, ενώ ο ρυθμός της διαστολής ποτέ δεν θα προσεγγίσει το μηδέν.

Η περίπτωση του σφαιρικού και πεπερασμένου ήταν πιο προσιτή φιλοσοφικά και για τον λόγο αυτό είχε υιοθετηθεί στο παρελθόν από πολλούς αστρονόμους και είχε δημοσιοποιηθεί σε πολλά εκλαϊκευτικά κείμενα. Εδώ και τριάντα όμως περίπου χρόνια είχαν αρχίσει να συσσωρεύονται ενδείξεις ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο. Ο δορυφόρος WΜΑΡ (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) που πέταξε το 2001, σχεδιάστηκε ακριβώς για να δώσει μια οριστική απάντηση στο ερώτημα για το σχήμα του Σύμπαντος. Ύστερα από παρατηρήσεις ενός έτους ανακοινώθηκε το τελικό συμπέρασμα: το Σύμπαν είναι επίπεδο και, άρα, άπειρο.

Τι είναι όμως αυτό που καθορίζει το σχήμα του σύμπαντος; Είναι η πυκνότητα (και η κοσμολογική σταθερά Λ, ένα είδος αντι-βαρυτικής δύναμης που επιτρέπεται από την Γενική Σχετικότητα). Ενώ είναι δύσκολο να υπολογίσουμε ποια είναι η ακριβής πυκνότητα – της ενέργειας και της ύλης – του σύμπαντος σήμερα, φαίνεται από πολλές μετρήσεις ότι το σύμπαν είναι μάλλον επίπεδο κι όχι σφαιρικό. 

cosmic-shape

Η παράμετρος πυκνότητας Ωο είναι ο λόγος της μέσης πυκνότητας ρ όλης της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν δια της κρίσιμης πυκνότητας ρc (η πυκνότητα στην οποία το Σύμπαν θα σταματούσε να επεκτείνεται μόνο μετά από άπειρο χρόνο). Η παράμετρος πυκνότητας (Ω 0 ) δίνεται από το κλάσμα:

Omega

Αν και η τρέχουσα έρευνα υποδηλώνει ότι το Ω 0 είναι πολύ κοντά στο 1, εξακολουθεί να έχει μεγάλη σημασία να γνωρίζουμε εάν το Ω 0είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από 1, μικρότερο από 1, ή ακριβώς ίσο με 1, καθώς αυτό αποκαλύπτει την τελική μοίρα του Σύμπαντος. Εάν το Ω 0 είναι μικρότερο από 1, το Σύμπαν είναι ανοιχτό και θα συνεχίσει να επεκτείνεται για πάντα. Εάν το Ω 0 είναι μεγαλύτερο από 1 το Σύμπαν είναι κλειστό και τελικά θα σταματήσει την διαστολή του άρα την Μεγάλη Σύνθλιψη του. Αν το Ω 0 είναι ακριβώς ίσο με 1 (που θα φαινόταν μια αξιοσημείωτη σύμπτωση) τότε το Σύμπαν είναι επίπεδο και περιέχει αρκετή ύλη για να σταματήσει η διαστολή αλλά όχι αρκετό για να το επαναλάβει.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ρ που χρησιμοποιείται στον υπολογισμό του Ω 0 είναι η συνολική πυκνότητα μάζας / ενέργειας του Σύμπαντος. Με άλλα λόγια, είναι το άθροισμα διαφόρων συνιστωσών που περιλαμβάνουν τόσο τη φυσική (B ) όσο και τη σκοτεινή ύλη (D) καθώς και τη σκοτεινή ενέργεια (Λ).
Μπορούμε λοιπόν να γράψουμε:

Οι τρέχουσες παρατηρήσεις υποδηλώνουν ότι ζούμε σε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από τη σκοτεινή ενέργεια με Ω λ = 0,73, Ω D = 0,23 και Ω Β = 0,04. Για την ακρίβεια της τρέχουσας κοσμολογικής παρατηρήσεις, αυτό σημαίνει ότι ζούμε σε μια επίπεδη, Ω 0 = 1 Σύμπαν.

Η παρανόηση

Βέβαια οι περισσότεροι θα σκεφτούν γιατί το Σύμπαν να είναι επίπεδο κι όχι σφαιρικό. Αν πράγματι το Σύμπαν γεννήθηκε με μία Μεγάλη Έκρηξη δεν θα ήταν πιο λογικό το Big Bang να οδηγούσε σε ένα σύμπαν σε σχήμα σφαίρας που θα επεκτείνεται, διατηρώντας παράλληλα το σχήμα της σφαίρας;

Η έννοια του Big Bang έχει συχνά παρερμηνευθεί. Οι πιο πολλοί εκτιμούν ότι κάτι εξερράγη κάπου και στη συνέχεια το μέρος που εξερράγη επεκτείνεται όπως είναι σήμερα. Είναι μια βασική παρανόηση. Πριν από το Big Bang, δεν υπήρχε χώρος ή χρόνος. Έτσι, δεν υπάρχει τίποτα «εκτός» το Big Bang. Το Σύμπαν απλά εξελίχθηκε από έναν πολύ μικρό όγκο σε ένα τεράστιο όγκο, ενώ συνεχίζει ακόμη και σήμερα να διαστέλλεται. Έτσι, ο τόπος στον οποίο είμαστε σήμερα αντιστοιχεί σε κάποιο μέρος σε ένα πολύ μικρό όγκο στο πολύ πρώιμο Σύμπαν. Ως εκ τούτου, το Big Bang συνέβη παντού μέσα στο Σύμπαν, σε όλες τις θέσεις, συμπεριλαμβανομένων και της Γης όπου βρισκόμαστε τώρα.

Η συνηθισμένη εικόνα που έχουμε για τη δημιουργία του Σύμπαντος κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, είναι λανθασμένη. Το Σύμπαν δεν δημιουργήθηκε από ένα σημείο, αλλά ήταν από την πρώτη στιγμή της ύπαρξής του άπειρο σε έκταση. Βέβαια είναι αλήθεια ότι αν πάρουμε μια περιοχή γύρω μας όσο μεγάλη θέλουμε, τότε λίγο μετά τη δημιουργία του Σύμπαντος η περιοχή αυτή βρισκόταν πραγματικά συγκεντρωμένη σε μια μικρή «μπάλα». Επειδή όμως το Σύμπαν είναι άπειρο, υπάρχουν άπειρες τέτοιες περιοχές, που ξεκίνησαν η καθεμιά από άπειρα σημεία, και το καθένα από αυτά τα σημεία μπορεί να απέχει άπειρη απόσταση από εμάς!

Και γιατί όλοι οι άνθρωποι έχουν παρερμηνεύσει το Big Bang;

Αυτή η παρερμηνεία του κόσμου οφείλεται σε μια παρεξήγηση. Όλοι οι ειδικοί για να δώσουν μια οπτική εικόνα του Big Bang, αναφέρουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται σαν ένα μπαλόνι που φουσκώνει. Και γι αυτό μας προκαλεί τόση σύγχυση η πρώτη εικόνα-παράδειγμα που μας έδωσαν στο σχολείο. Σβήστε την λοιπόν από το μυαλό σας.

Το πρόβλημα με το μπαλόνι είναι ότι πρόκειται για μια δισδιάστατη επιφάνεια σε μια τρισδιάστατη κατάσταση. Νομίζουμε λοιπόν ότι οτιδήποτε συμβαίνει στις δύο διαστάσεις στην επιφάνεια του μπαλονιού συμβαίνει και στις τρεις διαστάσεις στο σύμπαν. Για παράδειγμα, ενώ η επιφάνεια του μπαλονιού «απλώνεται» αναλογικά σε δύο κατευθύνσεις, το σύμπαν αναλογικά εκτείνεται σε ΤΡΕΙΣ κατευθύνσεις. Η τρίτη διάσταση στο μπαλόνι (δηλαδή η κατεύθυνση που είναι κάθετη προς την επιφάνεια και που μας επιτρέπει να δούμε την καμπυλότητα του μπαλονιού γι αυτό και έχουμε την παρανόηση της σφαίρας – σύμπαντος), είναι η τέταρτη διάσταση στο σύμπαν μας. Και δυστυχώς δεν έχουμε την δυνατότητα να παρακολουθήσουμε αυτή την «τέταρτη διάσταση» στον τρισδιάστατο Κόσμο μας.

Για την άρση της παρεξήγησης να προτιμούμε την αναλογία του σταφιδόψωμου. Σε αυτή την αναλογία, το σύμπαν είναι η άμορφη μάζα της ζύμης που ψήνεται στον  φούρνο και αρχίζει να φουσκώνει. Οι σταφίδες αντιπροσωπεύουν τους γαλαξίες μέσα στο σύμπαν. Και καθώς φουσκώνει η ζύμη, οι αποστάσεις ανάμεσα στις σταφίδες (τους γαλαξίες) αυξάνονται και στις τρεις κατευθύνσεις.

Το παρατηρήσιμο σύμπαν και ο πληθωρισμός

Και γιατί το Σύμπαν να φαίνεται επίπεδο; Είναι ένα από τα ερωτήματα που προκαλούσαν αμηχανία στους κοσμολόγους για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σήμερα, οι περισσότεροι θεωρητικοί πιστεύουν στην θεωρία του πληθωρισμού (και υπάρχουν ατράνταχτες αποδείξεις στην Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου CMB που την υποστηρίζουν). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το Σύμπαν υπέστη μια πολύ σύντομη εκθετική διαστολή που ξεκίνησε περίπου στα 10−36 s μετά το Big Bang  έως κάπου 10−33 και 10−32 s μετά την μοναδικότητα του Big Bang.

Την απειροελάχιστη εκείνη πρώτη στιγμή της γέννησής του το σύμπαν μεγεθύνθηκε 100 τρισεκατομμύρια-τρισεκατομμυρίων-τρισεκατομμύρια-τρισεκατομμυρίων (1050) φορές. H θερμοκρασία του πέφτει κατά ένα παράγοντα 100.000 περίπου από 1027 K σε 1022 K. Το αποτέλεσμα αυτής της απίστευτης διαστολής ήταν το εξής: το σύμπαν περίπου από το μέγεθος 7.7×10 −30 m (πολύ μικρότερο του πρωτονίου) διευρύνθηκε πολύ γρήγορα σε 10 cm μέχρι το τέλος της πληθωριστικής εποχής (15 x 10 –33 sec). Σε μια τέτοια περίπτωση, ανεξάρτητα από την αρχική γεωμετρία του Σύμπαντος, το τελευταίο μας φαίνεται επίπεδο.

Σκεφθείτε το και αλλιώς. Πέρα από τις όποιες παρατηρήσεις που έχουμε για το επίπεδο σύμπαν, οι αποστάσεις που αντιλαμβανόμαστε σε αυτό το αχανές σύμπαν είναι πάρα πολύ μικρές για να ανιχνεύσουμε οποιαδήποτε ενδεχόμενη καμπυλότητα στο Σύμπαν. 

Μήπως όμως κάνουμε λάθος; Μήπως οι παρατηρήσεις μας δεν είναι σωστές;

Είναι αλήθεια πως οι έρευνες στον ουρανό για να αποδειχθεί η επιπεδότητα δεν γίνονται σε όλο το Σύμπαν, αλλά σε ένα μικρό τμήμα του, το λεγόμενο παρατηρήσιμο σύμπαν. Εξ ορισμού, «Σύμπαν» αποτελεί ό,τι υπάρχει, ενώ το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι ό,τι υπάρχει μέσα στον δικό μας ορίζοντα (δηλαδή, ο όγκος του σύμπαντος, εντός του οποίου το φως είχε τον απαραίτητο χρόνο για να φτάσει ως εμάς). Κάθε παρατήρηση που κάνουμε περιορίζεται μόνο στο παρατηρήσιμο σύμπαν, και δεν έχουμε τη δυνατότητα να γνωρίζουμε με βεβαιότητα τι συμβαίνει πέρα από αυτόν τον ορίζοντα. Επομένως, όταν λέμε ότι ο δορυφόρος WMAP μας πρόσφερε  ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία ότι το σύμπαν είναι επίπεδο, στην πραγματικότητα σημαίνει ότι οι δορυφόροι WMAP και Planck μας πρόσφεραν  ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία ότι το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι επίπεδο.

Και αφού δεν γνωρίζουμε το αθέατο ή αυτό που είναι πέραν του παρατηρήσιμου σύμπαντος  γιατί ισχυριζόμαστε ότι όλο το Σύμπαν είναι επίπεδο. Επειδή, σύμφωνα με την πληθωριστική θεωρία, ακόμα και αν το Σύμπαν έχει κάποια καμπυλότητα, το παρατηρήσιμο σύμπαν θα πρέπει να είναι επίπεδο στο βαθμό στον οποίο έχουμε τη δυνατότητα να το μετρούμε.

Αν λοιπόν το πληθωριστικό μοντέλο είναι αληθινό τότε ναι είναι πραγματική και η επιπεδότητα (χωρίς καμιά καμπυλότητα) του παρατηρήσιμου σύμπαντος.

About the author

Δ.Μ.

Share