Θεωρίες φυσικής

Εισαγωγή στην κβαντική κοσμολογία βρόχων

Ο Abhay Ashtekar, ένας σπουδαίος θεωρητικός της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων, κατά την διάρκεια μιας προσομοίωσης με σκοπό την πορεία του σύμπαντος από τις ημέρες μας προς τη Μεγάλη Έκρηξη, στην αρχή είδε κάτι που ανέμεναν όλοι. Το Σύμπαν να συρρικνώνεται, οι γαλαξίες να πλησιάζουν μεταξύ τους και η πυκνότητα του να αυξάνεται. Εν συνεχεία όμως στην προσομοίωση του μοντέλου του συνέβη κάτι αναπάντεχο. Αντί της αναμενόμενης σύνθλιψης όλης της ύλης του Σύμπαντος σε ένα μοναδικό σημείο (ιδιομορφία) και του τερματισμού της προσομοίωσης τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, έγινε μια μεταβολή. Αντί να συστέλλεται το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται σαν να έγινε μια νέα Μεγάλη Έκρηξη

Share

Abhay AshtekarΟ Abhay Ashtekar, ένας σπουδαίος θεωρητικός της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων, κατά την διάρκεια μιας προσομοίωσης με σκοπό την πορεία του σύμπαντος από τις ημέρες μας προς τη Μεγάλη Έκρηξη, στην αρχή είδε κάτι που ανέμεναν όλοι. Το Σύμπαν να συρρικνώνεται, οι γαλαξίες να πλησιάζουν μεταξύ τους και η πυκνότητα του να αυξάνεται. Εν συνεχεία όμως στην προσομοίωση του μοντέλου του συνέβη κάτι αναπάντεχο. Αντί της αναμενόμενης σύνθλιψης όλης της ύλης του Σύμπαντος σε ένα μοναδικό σημείο (ιδιομορφία) και του τερματισμού της προσομοίωσης τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, έγινε μια μεταβολή. Αντί να συστέλλεται το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται σαν να έγινε μια νέα Μεγάλη Έκρηξη.

Η συμπεριφορά αυτή φυσικά δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ πριν σε καμιά προσομοίωση οποιουδήποτε κοσμολογικού μοντέλου, εκτός του δικού του γι αυτό και ο Ashtekar καθυστέρησε τη δημοσίευση του αποτελέσματος αυτού για 6 περίπου μήνες μέχρι να επαναλάβει τους υπολογισμούς του για να την δημοσιεύσει το 2006. Το θεωρητικό πλαίσιο αυτής της προσομοίωσης ήταν η Κβαντική Κοσμολογία Βρόχων (LQC), η οποία βασίζεται στην Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων που συνδυάζει την θεωρία της Γενικής Σχετικότητας με την Κβαντομηχανική.

Οι φυσικοί χρειάζονται θεωρίες, όπως η Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων, για να καταλάβουν τι συμβαίνει όταν μικροσκοπικοί όγκοι υφίστανται μια ακραία βαρυτική δύναμη, όπως συνέβη στη Μεγάλη Έκρηξη. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, ο Ashtekar ξαναέγραψε τις εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας σε ένα κβαντομηχανικό πλαίσιο. Μαζί με τους θεωρητικούς φυσικούς Lee Smolin και Carlo Rovelli, ο Ashtekar αργότερα χρησιμοποίησε αυτό το πλαίσιο για να αποδείξει ότι ο χωροχρονικός ιστός είναι υφασμένα από βρόχους από γραμμές του βαρυτικού πεδίου. Αν κάνουμε ζουμ από αρκετά μακριά τότε ο χώρος φαίνεται ομαλός και αδιάσπαστος, αλλά με μια πιο προσεκτική ματιά αποκαλύπτεται ότι ο χώρος αποτελείται από αδιαίρετη κβάντα, μεγέθους 10-35 τετραγωνικών μέτρων. Αυτό λοιπόν υποστηρίζει ο νέος κλάδος της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων.

Πολλοί θεωρητικοί φυσικοί και κοσμολόγοι χρόνια τώρα βασανίζονταν με την ιδέα ότι ο Κόσμος μας θα μπορούσε πιθανώς να έχει προκύψει από την κατάρρευση ενός προηγούμενου σύμπαντος. Μια τέτοια θεωρία ανήκει στη θεωρία των υπερχορδών – με τις συγκρούσεις των βρανών ή το εκπυρωτικό σύμπαν -, αλλά όπως θα δούμε παρακάτω το 2000 γεννήθηκε μια άλλη θεωρία από τις εργασίες του Martin Bojowald. Η νέα θεωρία, που συμπληρώθηκε από τον Ινδό Abhay Ashtekar, πιστεύει ότι αντί για την Μεγάλη Έκρηξη συνέβη μια Μεγάλη Αναπήδηση (Big Bounce). Ένα σύμπαν που δεν προέκυψε από μια ιδιομορφία ή μια ανωμαλία, δηλαδή ένα σημείο με άπειρη πυκνότητα αλλά από ένα προηγούμενο σύμπαν, που ενδεχομένως ανακυκλώνεται μέσω μιας αιώνιας διαδοχής επεκτάσεων και συστολών. Σε αντίθεση με την Μεγάλη Έκρηξη, η οποία αποτελεί ένα μοναδικό γεγονός στο οποίο γεννήθηκε για πρώτη φορά ο χρόνος και ο χώρος, η Μεγάλη Αναπήδηση αποτελεί ένα φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να έχει επαναληφθεί πολλές φορές.


Το σύμπαν δεν αναδύθηκε από το τίποτα – όπως στα μοντέλα της Μεγάλης Έκρηξης – αλλά από την κατάρρευση ενός προηγούμενου σύμπαντος χωρίς όμως να περάσει από την ιδιομορφία (σημείο άπειρης πυκνότητας) που γέννησε τη Μεγάλη Έκρηξη.

Βέβαια μία από τις κύριες αδυναμίες των θεωρητικών μοντέλων είναι η δυνατότητα της εξαγωγής προβλέψεων οι οποίες θα καταστήσουν εφικτές τις πειραματικές τους επαληθεύσεις. Ο κυριότερος λόγος για την αδυναμία αυτή στην Κβαντική Κοσμολογία Βρόχων είναι πως οι δομές που περιγράφονται βρίσκονται σε κλίμακα μεγέθους της τάξης του μήκους Planck, οπότε πρέπει να γίνουν μετρήσεις ποσοτήτων και φαινόμενων σε αυτές τις τάξεις μεγέθους. Βεβαίως το καλύτερο εργαστήριο για πειραματικές μετρήσεις στις κλίμακες αυτές, όπως συμβαίνει και για την σωματιδιακή φυσική, είναι το ίδιο σύμπαν.

Το ξεκίνημα

Martin BojowaldΗ αρχή της Κβαντικής Κοσμολογίας Βρόχων θεωρείται το έτος 2000 όταν ο Martin Bojowald, μεταδιδακτορικός ερευνητής της ομάδας του Ashtekar στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, προσπάθησε μέσω των τότε γνωστών πορισμάτων της κβαντικής βαρύτητας να μορφοποιήσει ένα μοντέλο του Σύμπαντος. Το κυριότερο χαρακτηριστικό του νέου αυτού κοσμολογικού μοντέλου ήταν πως, σε αντίθεση με τη γενική σχετικότητα και άλλες προσεγγίσεις του θέματος, η δυνατότητα περιγραφής των φυσικών φαινόμενων μέσω της χρήσης της κβαντικής βαρύτητας βρόχων δεν κατέρρεε στην ανωμαλία που γέννησε τη Μεγάλη Έκρηξη.

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι απειρισμοί που προκύπτουν από την ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης μπορούν να εξαλειφθούν μόνο όταν τη μελετήσουμε με τη βοήθεια της κβαντομηχανικής. Η τεράστια συγκέντρωση της ύλης σε ένα σημείο κατά το Big Bang δημιουργεί άπειρη πυκνότητα, άπειρη ένταση της βαρύτητας, άπειρη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα την πλήρη αδυναμία περιγραφής των φυσικών φαινόμενων εκεί μέσα με την βοήθεια των νόμων της Γενικής Σχετικότητας, καθώς εκεί αυτοί οι νόμοι καταρρέουν.

Η περιγραφή του σύμπαντος σε χρονικές περιόδους μακριά από τη φάση της Μεγάλης Έκρηξης ή Αναπήδησης γίνεται μέσω της Γενικής Σχετικότητας, ενώ κοντά στην Μεγάλης Έκρηξη επειδή η πυκνότητα του Σύμπαντος απειρίζεται απαιτείται η εισαγωγή κάποιας έκδοσης της κβαντικής βαρύτητας για την περιγραφή των φυσικών φαινομένων. Για τον λόγο αυτό κάθε κοσμολογικό μοντέλο θα πρέπει να δίνει ίδια αποτελέσματα με τη Γενική Σχετικότητα όπου αυτή περιγράφει ικανοποιητική το Σύμπαν και να εξηγεί σωστά τα φυσικά φαινόμενα όταν η πυκνότητα του Σύμπαντος είναι εξαιρετικά μεγάλη.

Σύμφωνα όμως με τις προβλέψεις με τον Ashtekar το σύμπαν δεν πέρασε ποτέ από ένα σημείο – ιδιομορφία, γιατί το Σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα είναι προϊόν μιας διαδικασίας Αναπήδησης από ένα προ-Σύμπαν σε κατάσταση βαρυτικής κατάρρευσης.

Από την άλλη η Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων προσφέρει την δυνατότητα υπολογισμού των φυσικών φαινομένων όταν ασκούνται τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις σε μικροσκοπικούς όγκους, όπως συνέβαινε κοντά στο σημείο του Big Bang. Δηλαδή, η νέα θεωρία δεν μπαίνει καν στον κόπο να περιγράψει τη φύση στον χρόνο μηδέν, αφού δεν επιτρέπει την πλήρη κατάρρευση της ύλης σε ένα σημείο. Ο λόγος της σημαντικής αυτής διαφοροποίησης με τα άλλα κοσμολογικά μοντέλα οφείλεται στη βασική αρχή της, δηλαδή της κβάντωσης του χώρου.

Συμφωνία με τη Γενική Σχετικότητα

Όταν έγιναν οι αρχικές προσομοιώσεις του Ashtekar τα αποτελέσματα δεν ήταν ακριβώς αυτά που δίνει η Γενική Σχετικότητα. Γιατί στη μορφοποίηση του αρχικού μοντέλου, ως κβάντα χώρου είχαν ληφθεί απειροελάχιστες τιμές επιφάνειας (συσχετισμένες με το μήκος Planck στο τετράγωνο) σε αντίθεση με απειροελάχιστες τιμές όγκου που δεν είχαν συσχετιστεί με το μήκος Planck στον κύβο. Όταν η ομάδα του Ashtekar επανέλαβε την προσομοίωση της εξέλιξης του Σύμπαντος με αυτή την διόρθωση του όγκου, διαπίστωσε ότι τα αποτελέσματα τους βρίσκονταν σε πλήρη συμφωνία με τη Γενική Σχετικότητα στις περιόδους μακριά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Ενώ δεν υπήρχε και πάλι η ασυνέχεια (ιδιομορφία) της Μεγάλης Έκρηξης. Αφού λοιπόν η νέα θεωρία έδινε τα ίδια αποτελέσματα με τη Γενική Σχετικότητα στο μεγαλύτερο μέρος της εξέλιξης του Κόσμου φαινόταν να έχει κάποιες βάσεις.

Σύμφωνα με την ομάδα του Ashtekar το προ-σύμπαν αρχικά πέρασε μια φάση διαστολής την οποία ακολούθησε μια φάση σύνθλιψης λόγω βαρύτητας. Καθώς η ύλη συγκεντρωνόταν σε ολοένα και μικρότερο χώρο, η πυκνότητα του Σύμπαντος προσέγγισε την τιμή της πυκνότητας Planck (ίσης με 5,1*1096 κιλά ανά κυβικό μέτρο). Στο στάδιο αυτό, η σύνθλιψη του προ-σύμπαντος σταμάτησε και έλαβε χώρα μια Αναπήδηση από την οποία προήλθε το δικό μας Σύμπαν. Το σημαντικό είναι ότι ποτέ το όποιο Σύμπαν δεν φτάνει στην πυκνότητα Planck. Απαγορεύεται από τη θεωρία. Σύμφωνα με τον Bojowald, αυτό συμβαίνει γιατί η προσπάθεια συμπίεσης της υφής του χωροχρόνου όταν η πυκνότητα ισοδυναμεί με περίπου ένα τρισεκατομμύριο ηλιακές μάζες στον όγκο ενός πρωτονίου, οδηγεί στην ανάπτυξη μιας ιδιαίτερα ισχυρής δύναμης αντίδρασης η οποία ανθίσταται στη βαρυτική σύνθλιψη. Τα κβάντα του χωροχρόνου δεν είναι δυνατόν να συμπιεστούν περισσότερο. Η στιγμιαία δράση αυτής της αντίδρασης στη βαρύτητα οδηγεί στη Μεγάλη Αναπήδηση του Σύμπαντος. Από τη χρονική φάση της Μεγάλης Αναπήδησης και μετά, το Σύμπαν διαστέλλεται λόγω της αδράνειας του και η βαρύτητα επιβραδύνει σταδιακά τη διαδικασία αυτή.

Όμως τι εξήγηση δίνει η νέα κβαντική κοσμολογική θεωρία βρόχων για τη φάση του πληθωρισμού που ακολούθησε ευθύς αμέσως τη Μεγάλη Έκρηξη. Στην καθιερωμένη κοσμολογία ο πληθωρισμός οδήγησε το Σύμπαν στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, σε μια φάση εξαιρετικά γρήγορης διαστολής. Μεταξύ των άλλων με τον πληθωρισμό δίνουμε ερμηνεία στην ομοιόμορφη θερμοκρασιακή κατανομή των άκρων του σύμπαντος ή το πρόβλημα του ορίζοντα όπως αλλιώς λέγεται. Επίσης, ερμηνεύουμε το πρόβλημα της επιπεδότητας (τη λεπτή ισορροπία την οποία παρουσιάζει το σύμπαν ανάμεσα στην αέναη διαστολή και την κατάρρευση του λόγω της επίδρασης της βαρύτητας).

Η θεωρία του κλασσικού πληθωρισμού δέχεται την ύπαρξη κάποιων σωματιδίων ή ενός πεδίου (inflaton) μέσω της δράσης των οποίων λαμβάνει χώρα ο πληθωρισμός. Όμως το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν μας δίνει καμιά ουσιαστική πληροφορία για τις ιδιότητες των σωματιδίων αυτών. Ακόμα πιο ασαφής είναι η εικόνα που προσφέρουν τα υπάρχοντα κοαμολογικά μοντέλα για τα φυσικά δρώμενα στο Σύμπαν πριν τη φάση του πληθωρισμού. Μεταξύ της στιγμής της Μεγάλης Έκρηξης και της έναρξης του πληθωρισμού, μεσολαβεί ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου το οποίο όμως αντιστοιχεί σε μια από τις πιο μυστηριώδεις φάσεις της ζωής του Σύμπαντος. Κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής επικρατούσε η κβαντική φύση των φυσικών φαινομένων. Πριν την εμφάνιση της κβαντικής Κοσμολογίας Βρόχων είχε διατυπωθεί η υπόθεση πως η έναρξη της διαδικασίας πληθωρισμού λάμβανε χώρα όταν πια ο χωροχρόνος μπορούσε να θεωρηθεί ως ομαλός και όχι ως κβαντισμένος. Οι ερευνητές όμως, χρησιμοποιώντας το νέο φορμαλισμό είναι πλέον σε θέση να εξάγουν το αποτέλεσμα αυτό ως πρόβλεψη της θεωρίας. Για πρώτη φορά μια κοσμολογική θεωρία ήταν σε θέση να προβλέψει τι συνέβαινε πριν αλλά και μετά τη φάση του πληθωρισμού στο Σύμπαν.

Παρατηρήσεις

Lee SmolinΣύμφωνα με τον Ashtekar, τον Smolin και πολλούς άλλους, το σημαντικότερο θέμα σήμερα είναι η αναζήτηση παρατηρησιακών δεδομένων αλλά και πειραματικών ενδείξεων που θα συμβάλουν στην ορθότητα και αποδοχή της κβαντικής Κοσμολογίας Βρόχων.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η δυνατότητα γνώσης των φυσικών συνθηκών οι οποίες επικρατούσαν στο Σύμπαν πριν τη Μεγάλη Αναπήδηση. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Martin Bojowald, ένα σημαντικό μέρος της πληροφορίας του Σύμπαντος που προηγήθηκε της διαδικασίας της Αναπήδησης χάνεται λόγω στατιστικών διακυμάνσεων. Δεν υπάρχει δηλαδή, σύμφωνα με τον ίδιο, η δυνατότητα «κοσμικής επαναφοράς». Το σύστημα αυτό διέρχεται από μια φάση Αναπήδησης και καθώς ο όγκος του αυξάνεται, αντίστοιχα αυξάνονται και οι στατιστικές διακυμάνσεις οι οποίες το χαρακτηρίζουν. Λόγω των διακυμάνσεων αυτών, οι πληροφορίες σχετικά με την αρχική κατάσταση του συστήματος γίνονται ολοένα και πιο ασαφείς.

Βέβαια οι προβλέψεις της προσομοίωσης για το προ-Σύμπαν λένε ότι αυτό περιείχε άστρα και γαλαξίες. Αυτό όμως αποτελεί και το όριο πληροφορίας η οποία είναι δυνατόν να εξαχθεί. Σύμφωνα με τον Bojowald, όταν το Σύμπαν βρίσκεται στις κβαντικές του φάσεις πριν και μετά την Αναπήδηση, ένα μέρος της πληροφορίας της δομής του δεν μεταφέρεται και ο λόγος γι αυτό ανάγεται στις αναπόφευκτες στατιστικές διακυμάνσεις οι οποίες συνοδεύουν την κβαντική φάση κάθε φυσικού συστήματος. Σύμφωνα με τον ίδιο, λόγω του αποτελέσματος αυτού, δεν υπάρχει «κοσμική επαναφορά» στο Σύμπαν. Αυτό όμως αμφισβητείται από άλλους ερευνητές όπως ο Singh, μέσω των δικών τους λεπτομερών αναλύσεων.

Οι θεωρητικοί όλων των κοσμολογικών μοντέλων (καθιερωμένων και μη) προσβλέπουν στην λεπτομερή ανάλυση των δεδομένων της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (που εμφανίστηκε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη), για να επιβεβαιώσουν τις όποιες προβλέψεις τους. Παρόλο που δεν εμφανίστηκε ταυτόχρονα με τη Μεγάλη Έκρηξη ή τη Μεγάλη Αναπήδηση (ανάλογα τι θα αποδειχθεί τελικά ότι έγινε), πιστεύεται ότι η αρχική της προέλευση μπορεί να αναχθεί στις εποχές που η κβαντική βαρύτητα διαδραμάτιζε πρωταγωνιστικό ρόλο στο Σύμπαν.

Η ανάλυση των θεωρητικών μοντέλων της κβαντικής Κοσμολογίας Βρόχων προσέφερε ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Σύμφωνα με τον Bojowald, πριν από την περίοδο του πληθωρισμού η θεωρία προβλέπει ότι υπήρξε μια βραχεία περίοδος επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Η αιτία αυτού του φαινομένου του υπερ-πληθωρισμού, όπως ονομάστηκε, ανάγεται στις εξαιρετικά ισχυρές απωστικές δυνάμεις που αναπτύχθηκαν ως αντίδραση στη συμπίεση των κβάντων του χωροχρόνου κατά τη φάση της βαρυτικής σύνθλιψης του προ-Σύμπαντος η οποία οδήγησε στη Μεγάλη Αναπήδηση. Υπό αυτή την έννοια, η ύπαρξη των υποθετικών σωματιδίων ή του πεδίου inflaton τα οποία εξηγούν τη φάση του πληθωρισμού δεν είναι πια απαραίτητη. Μάλιστα, τελευταία ο Ed Copeland του Πανεπιστημίου του Nottingham απέδειξε πως η φάση του υπερ-πληθωρισμού δημιουργεί τις κβαντικές διαταράξεις του χωροχρόνου από τις οποίες μπορούν μελλοντικά να προκύψουν άστρα και γαλαξίες. Έτσι, διαφαίνεται ότι στη νέα θεωρία δεν θα είναι απαραίτητη η πληθωρισμική περίοδος γενικότερα.

Ο τρόπος πάντως με τον οποίο η φάση του υπερ-πληθωρισμού θα μπορούσε να επηρεάσει την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου δεν είναι ακόμα ξεκάθαρος αν και υπάρχουν αρχικές ενδείξεις ότι θα οδηγήσει σε διαφοροποιήσεις σε σχέση με την κλασική Κοσμολογία οι οποίες θα μπορούν να μετρηθούν. Οι σχετικοί υπολογισμοί αποτελούν το κύριο μέλημα των ερευνητών για τα επόμενα χρόνια, ιδιαίτερα υπό τη πρίσμα της έναρξης λειτουργίας του δορυφόρου Planck από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία. 0 δορυφόρος αυτός έχει σαν αποστολή να κάνει τις πιο λεπτομερείς μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου που έγιναν ποτέ.

Πηγές: Περισκόπιο της Επιστήμης, New Scientist

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share