Τι συνέβη στις απαρχές του χρόνου; Τι προκάλεσε τη διαστολή του Σύμπαντος;

Θα αναχωρήσουμε τώρα για ένα ταξίδι προς τις πηγές του χρόνου. Τι συνέβη στις απαρχές του χρόνου; Τι προκάλεσε τη διαστολή του Σύμπαντος;

Τη μακρινή εκείνη εποχή (πριν 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια), σύμφωνα με τη θεωρία, η πυκνότητα της ύλης τυπικά ήταν άπειρη. Πρόκειται για τη στιγμή που άρχισε η διαστολή. H κατάσταση του Σύμπαντος τη στιγμή εκείνη είναι γνωστή ως "ιδιομορφία" (ανωμαλία, ή μοναδικότητα).

Ποιες ήταν οι ιδιότητες του χώρου και του χρόνου κοντά στην ιδιομορφία. Αυτό είναι ένα από τα μεγάλα ερωτήματα για τα μυστήρια του Σύμπαντος μας. H συμβολή της επιστήμης του 20ού αιώνα στην επίλυση του προβλήματος της ιδιομορφίας είναι εντυπωσιακή. H θεωρία του Alexander Friedmann περιγράφει πώς επηρεάζεται η διαστολή από τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις. Οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο μέσω της αδράνειας, ενώ η αμοιβαία βαρυτική έλξη βαθμιαία επιβραδύνει την κίνηση τους και τη διαστολή του Σύμπαντος. Όμως, η θεωρία δεν δίνει μια απάντηση στο ερώτημα τι προκάλεσε τη διαστολή ή τι προσέδωσε τις αρχικές ταχύτητες διαστολής στην ύλη, από την οποία αργότερα σχηματίσθηκαν οι γαλαξίες.

Το Σύμπαν στις πρώτες του στιγμές ήταν θερμό και η πίεση της ύλης, που ήταν σχεδόν ομοιόμορφα κατανεμημένη στο χώρο, ήταν τρομακτική.

Σε μια πρώτη ματιά, η υψηλή πίεση μοιάζει να είναι πρωταρχικής σημασίας για μια εξήγηση της εκρηκτικής διαστολής του Σύμπαντος. Ας θυμηθούμε τι ξέρουμε σχετικά με την έκρηξη μιας βόμβας. H έκρηξη θερμαίνει και εξαχνώνει τη γόμωση της βόμβας, η πίεση των θερμών αερίων οδηγεί την ύλη της γόμωσης σε γρήγορη διαστολή: η βόμβα εκρήγνυται. Ίσως, το Σύμπαν άρχισε τη διαστολή του με τον ίδιο τρόπο. Ενδεχομένως κάποιος να οδηγηθεί στο συμπέρασμα ότι τα αίτια της διαστολής υπήρξαν η πολύ υψηλή θερμοκρασία και η τεράστια πίεση. Ένα τέτοιο συμπέρασμα είναι πολύ εσφαλμένο. Υπάρχει μια ουσιώδης διαφορά ανάμεσα στα δύο φαινόμενα.

H έκρηξη ενός συμβατικού εκρηκτικού δημιουργεί μια πτώση της πίεσης: από την πολύ υψηλή πίεση στο εσωτερικό των θερμών αερίων στη σχετικά χαμηλή ατμοσφαιρική πίεση στο εξωτερικό. Αυτή η πτώση πίεσης είναι που παράγει τη δύναμη που ωθεί την ύλη προς τα έξω, κι όχι η υψηλή πίεση.

Αν η πίεση στο εξωτερικό ήταν ίση με την πίεση στο εσωτερικό του αερίου η ύλη δεν θα εκτινασσόταν. Επιπλέον, η πυκνότητα του διαστελλόμενου αερίου δεν είναι ομοιόμορφη στην έκρηξη: είναι μέγιστη στο κέντρο και φθίνει μακριά από αυτό. Καθώς η ύλη εκτινάσσεται, η πτώση πίεσης, που οφείλεται στις πτώσεις της πυκνότητας και της θερμοκρασίας, δημιουργεί μια δύναμη που προωθεί το διαστελλόμενο αέριο.

H αρχική στιγμή της διαστολής του Σύμπαντος είναι πολύ διαφορετική από την εικόνα που περιγράψαμε προηγουμένως. H ύλη του Σύμπαντος ήταν ομοιόμορφα κατανεμημένη στο χώρο πριν από το σχηματισμό μεμονωμένων, περισσότερο ή λιγότερο συμπαγών, ουράνιων σωμάτων. H θερμοκρασία ήταν πράγματι πάρα πολύ υψηλή, αλλά είχε την ίδια τιμή σε όλο το χώρο. Δεν υπήρχαν πτώσεις πυκνότητας και πίεσης, έτσι καμιά δύναμη δεν θα μπορούσε να προκαλέσει τη διαστολή. Δηλαδή, το ομοιόμορφο τότε Σύμπαν δεν εμφάνιζε μια διαφορά πίεσης, η οποία μπορεί να δημιουργήσει τη δύναμη ώθησης της διαστολής. Ποιο ήταν, λοιπόν, το αίτιο της διαστολής;

Αφού δεν ήταν η υψηλή πυκνότητα θερμών αερίων (όπως θεωρούν οι περισσότεροι) αυτό που προκάλεσε την διαστολή στο Big Bang, τότε ποια ήταν η "πρωταρχική ώθηση" που προσέδωσε τις αρχικές ταχύτητες στην ύλη;

Το κλειδί για την κατανόηση της "αρχέγονης ώθησης" βρίσκεται στην ειδική, όμοια με κενό, κατάσταση της ύλης στις υψηλές πυκνότητες και θερμοκρασίες.

Υπάρχουν όμως τρεις καταστάσεις όμοιες με το κενό και οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι μια μοναδική, όμοια με κενό, κατάσταση με τεράστια πυκνότητα ενέργειας και αντίστοιχη γιγαντιαία πυκνότητα μάζας σχηματίστηκε στη θερμοκρασία της "υπερ-ενοποίησης" όλων των δυνάμεων της φύσης.

H πυκνότητα αυτή σε γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό είναι μια μονάδα με 94 μηδενικά (!). Το μέγεθος του αριθμού αυτού προκαλεί τη φαντασία. Από τη θεωρία για το κενό ξέρουμε ότι οποιοδήποτε κενό που δεν διαθέτει μηδενική πυκνότητα μάζας, πρέπει να έχει τεράστια αρνητική πίεση.

Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, η βαρύτητα δεν παράγεται μόνο από τη μάζα αλλά και από την πίεση. Συνήθως η πίεση δεν είναι υψηλή και, έτσι, η αντίστοιχη βαρύτητα είναι ασήμαντα μικρή. Στην περίπτωση μιας κατάστασης όμοιας με κενό, η εικόνα είναι πολύ διαφορετική, αφού η πίεση είναι τεράστια και η βαρύτητα που δημιουργεί είναι μεγαλύτερη από εκείνη που οφείλεται στη μάζα. Επειδή, όμως, η πίεση του κενού είναι αρνητική, αντί για βαρύτητα παράγει αντιβαρύτητα – μια βαρυτική άπωση! Αυτή είναι η ουσία του θέματος. Το συγκεκριμένο φαινόμενο αποτελεί το κλειδί για την κατανόηση της "αρχέγονης ώθησης".

Στις περιπτώσεις αυτές που η πίεση είναι αρνητική μοιάζει κάπως σαν να έχουμε ένα τεντωμένο ελατήριο, το οποίο ασκεί μια δύναμη προς τα έσω. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, μια θάλασσα από μποζόνια Higgs – τα υποθετικά σωματίδια που είναι υπεύθυνα για τη γέννηση της μάζας στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής – ασκούν αρνητικές πιέσεις όταν οι θερμικές ή κινητικές διεγέρσεις της είναι μικρές.

Με δεδομένη τη γιγαντιαία αρχική πυκνότητα και θερμοκρασία (πυκνότητα και θερμοκρασία υπερ-ενοποίησης όλων των δυνάμεων της φύσης), οι αντιβαρυτικές δυνάμεις έχουν ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της άπωσης σε όλα τα σωματίδια της ύλης. Τα σωματίδια αυτά αποκτούν τεράστιες αρχικές ταχύτητες απομάκρυνσης. Από το γεγονός αυτό, η διαδικασία της υπερταχείας διαστολής του Σύμπαντος ονομάστηκε "πληθωρισμός".

Είναι επίσης πολύ σημαντικό ότι η αρχέγονη, όμοια με κενό, κατάσταση ήταν εξαιρετικά ασταθής. Υπήρξε μόνο για περίπου εκατό εκατομμύρια δισεκατομμυρίων δισεκατομμυρίων του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου! Έπειτα, κατέρρευσε και η πυκνότητα της μάζας της μετασχηματίστηκε στα "συνήθη" υπερ-στοιχειώδη σωματίδια με τεράστιες ενέργειες. Με τον τρόπο αυτό, η όμοια με κενό κατάσταση δημιούργησε το θερμό Σύμπαν σε μια θερμοκρασία, εκείνη τη στιγμή, ενός δισεκατομμυρίου δισεκατομμυρίων δισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν.

Τα σωματίδια που δημιουργήθηκαν από το αρχέγονο κενό είχαν μεγάλες αρχικές ταχύτητες απομάκρυνσης λόγω των δυνάμεων της αντιβαρύτητας. Όμως, καθώς το "υπερκενό" κατέρρεε, οι δυνάμεις αυτές εξαφανίστηκαν και αντικαταστάθηκαν από τη συνήθη βαρύτητα. H νέα θερμή ύλη, κινούμενη προς τα έξω, αραίωσε πάρα πολύ και, πολλά δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, ψύχθηκε και θρυμματίστηκε σε κομμάτια από τα οποία, σε μεταγενέστερα στάδια, σχηματίστηκαν γαλαξίες, αστέρες και αστρικά συστήματα. Οι φυσικές διαδικασίες που συνέβησαν στη διάρκεια της εξέλιξης αυτής έχουν περιγραφεί αναλυτικά σε πολλά άρθρα και βιβλία. Θα αναφερθούμε, λοιπόν, με μεγάλη συντομία στα θέματα αυτά.

Μετά την κατάρρευση του "ψευδοκενού" και τη θέρμανση του Σύμπαντος, εμφανίστηκε ένα πολύ ειδικό, υπέρθερμο πλάσμα από στοιχειώδη σωματίδια και αντισωματίδια κάθε δυνατού είδους, τα οποία αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους πάρα πολύ έντονα.

Καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν, παράλληλα ψυχόταν. Περίπου ένα δέκατο του δευτερολέπτου μετά την έναρξη της διαστολής, η θερμοκρασία είχε ελαττωθεί σε τριάντα δισεκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν. H θερμή ύλη συμπεριλάμβανε και έναν μεγάλο αριθμό από φωτόνια υψηλής ενέργειας. H πυκνότητα και η ενέργεια τους ήταν τόσο μεγάλες, ώστε φως αλληλεπιδρούσε με φως, δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου.·

Από την εξαΰλωση των ζευγών αυτών δημιουργήθηκαν φωτόνια, καθώς και ζεύγη νετρίνου-αντινετρίνου. Σ’ αυτό το βίαιο "καζάνι" υπήρχε επίσης συνήθης ύλη, αλλά στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες ήταν αδύνατο να επιβιώσουν πολύπλοκοι ατομικοί πυρήνες: έσπαγαν αμέσως από τα ενεργειακά σωματίδια που τα περιέβαλαν. Επομένως, η ύλη υπήρχε μόνο στη μορφή νετρονίων και πρωτονίων. Τα τελευταία, αντιδρώντας σταθερά με διάφορα ενεργειακά σωματίδια, μετασχηματίζονταν ταχύτατα το ένα στο άλλο, χωρίς ωστόσο να μπορούν να σχηματίσουν πυρήνες, αφού τα υψηλής ενέργειας σωματίδια γύρω τους κατέστρεφαν αμέσως κάθε τέτοια προσπάθεια. Έτσι, η αλυσίδα των γεγονότων που θα οδηγούσε στο σχηματισμό του ηλίου και άλλων βαρύτερων στοιχείων διακόπηκε από την υψηλή θερμοκρασία σχεδόν εξαρχής.

Αρκετά λεπτά μετά την έναρξη της διαστολής, η θερμοκρασία του Σύμπαντος είχε μειωθεί σε λιγότερους από ένα δισεκατομμύριο βαθμούς Κέλβιν. Τώρα πια τα νετρόνια και τα πρωτόνια μπορούσαν να συνδεθούν και να σχηματίσουν πυρήνες δευτερίου. Οι νεοσύστατοι αυτοί πυρήνες εισήλθαν σε μια νέα αλυσίδα πυρηνικών αντιδράσεων που οδηγούσε στο σχηματισμό πυρήνων ηλίου – το τελικό στάδιο της πυρηνοσύνθεσης στο πρώιμο Σύμπαν.

Σύμφωνα με υπολογισμούς, η αρχέγονη ύλη περιείχε περίπου 25% ήλιο, ενώ το υπόλοιπο 75% αποτελείτο από πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια). Οι παρατηρήσεις επιβεβαίωσαν ότι η σύσταση των γηραιότερων αστέρων στο Σύμπαν υποστηρίζει τις προβλέψεις της θεωρίας του θερμού Σύμπαντος. Πυρήνες ακόμη βαρύτερων στοιχείων συντέθηκαν στο Σύμπαν με πυρηνικές διαδικασίες στο εσωτερικό των αστέρων, αλλά αυτό συνέβη πολύ αργότερα (σε μια εποχή πιο κοντινή στη δική μας).

Οι πυρηνικές αντιδράσεις στο πρώιμο Σύμπαν σταμάτησαν πέντε λεπτά μετά την έναρξη της διαστολής. Μέχρι εκείνη τη στιγμή είχαν ολοκληρωθεί όλες οι ενεργές διαδικασίες με στοιχειώδη σωματίδια. Στη συνέχεια, και για μια υπερβολικά μεγάλη περίοδο, τίποτα το "συνταρακτικό" δεν συνέβη στο Σύμπαν.

Σε όλη αυτή τη διάρκεια, η διαστελλόμενη ύλη ήταν ιονισμένη εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας (ύλη τέτοιας μορφής ονομάζεται πλάσμα). Το πυκνό πλάσμα είναι αδιαφανές στην ακτινοβολία, οπότε η τελευταία καθόριζε τη δύναμη της πίεσης. Μικρού πλάτους ταλαντώσεις της πυκνότητας (ακουστικά κύματα) διαδίδονταν σ’ αυτό το μείγμα πλάσματος και ακτινοβολίας, ενώ στη διαστελλόμενη ύλη δεν συνέβαιναν άλλες διαδικασίες.

Μόνο μετά από 380.000 χρόνια της ίδιας ανιαρής πορείας, το πλάσμα ψύχθηκε σε 4.000 βαθμούς και μετατράπηκε σε ουδέτερο αέριο (καθώς οι ατομικοί πυρήνες είχαν συλλάβει ελεύθερα ηλεκτρόνια). To αέριο αυτό έγινε διαφανές στην αρχέγονη ακτινοβολία, που η πίεση της καθοριζόταν πια μόνο από την κίνηση των ουδέτερων ατόμων (η πίεση της ακτινοβολίας είχε μηδενιστεί). H ελαστικότητα του αερίου ελαττώθηκε δραματικά και απέκτησε ιδιαίτερη σημασία ο μηχανισμός της λεγόμενης βαρυτικής αστάθειας.

Τα υψηλής πυκνότητας συσσωματώματα ακουστικών κυμάτων, τα οποία είχαν πολύ μεγάλο γραμμικό μέγεθος, ενισχύονταν όλο και περισσότερο από τις βαρυτικές δυνάμεις. Τέλος, αυτές οι περιοχές υψηλής πυκνότητας σχημάτισαν μεγάλα νέφη, τα οποία στη συνέχεια εξελίχθηκαν σε γαλαξίες και γαλαξιακά σμήνη. Οι αστέρες σχηματίστηκαν στο εσωτερικό των γαλαξιών.

Αυτό, όμως, είναι μια άλλη ιστορία. Ας επιστρέψουμε και πάλι στις πρώτες στιγμές.

Είδαμε πώς μια όμοια με το κενό κατάσταση δημιούργησε την αρχέγονη ώθηση (αντιβαρύτητα). Σύμφωνα με τη σύγχρονη αστροφυσική, αυτό είναι το μυστικό που κρύβεται πίσω από το μυστήριο της γέννησης του Σύμπαντος.

Το πρώτο "προαίσθημα" ότι η όμοια με κενό κατάσταση και, επομένως, οι αντιβαρυτικές δυνάμεις ίσως να δημιουργήθηκαν στην υπέρπυκνη ύλη όταν άρχισε η διαστολή του Σύμπαντος, διατυπώθηκε από το φυσικό E. Gliner στην Αγία Πετρούπολη. O Gliner ήρθε στη Μόσχα στα τέλη της δεκαετίας του 1960, με σκοπό να παρουσιάσει την υπόθεση του στους "μεγάλους και ισχυρούς" της κοσμολογίας και των σχετικών επιστημών. Δυστυχώς, η ιδέα του δεν έγινε κατανοητή. Όμως κανείς τότε δεν κατάλαβε τίποτα.

Είχαν τη γνώμη πως μια γιγαντιαία αρνητική πίεση είναι αδύνατη στη φύση και, επομένως, η σκέψη για τις αντιβαρυτικές δυνάμεις τους ήταν ακατανόητη. Σχεδόν όλοι είχαν τα ίδια επιχειρήματα και μάλλον τους έλειπε και η φαντασία. Ωστόσο, δύο φυσικοί, οι Νταβίντ Κίρζνιτς και Αντρέι Λίντε, στις αρχές του 1972 έδειξαν ότι μια κατάσταση του είδους αυτού μπορεί πραγματικά να προκύψει στο διαστελλόμενο Σύμπαν.

Λίγο αργότερα, οι ιδέες αυτές αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν στην κοσμολογία από πολλούς Ρώσους και Αμερικανούς φυσικούς.

Πηγή: αποσπάσματα από το βιβλίο Το Ποτάμι του Χρόνου, του Igor Novikov, από τις εκδόσεις  ΤΡΑΥΛΟΣ καθώς και παλιά άρθρα από το www.physics4u.gr/blog

________________________________________________________________________

Ας δούμε συνοπτικά πώς η ενεργειακή πυκνότητα του κενού σχετίζεται με μια αρνητική πίεση:

• Η ενεργειακή πυκνότητα του κενού πρέπει να είναι σταθερή επειδή δεν υπάρχει τίποτα από το οποίο να εξαρτάται

• Εάν ένα έμβολο στο κύλινδρο – που έχει μέσα του κενό – απομακρύνεται δημιουργώντας περισσότερο κενό, τότε το κενό μέσα στον κύλινδρο έχει περισσότερη ενέργεια, που πρέπει να του έχει παρασχεθεί από το έργο της δύναμης που τραβά το έμβολο προς τα έξω.

• Εάν το κενό προσπαθεί να τραβήξει το έμβολο πίσω προς τον κύλινδρο, πρέπει να έχει μια αρνητική πίεση, επειδή μια θετική πίεση θα έτεινε να ωθήσει το έμβολο προς τα έξω.

Το animation δείχνει το έμβολο που κινείται στον κύλινδρο γεμάτο με ένα "κενό" που περιέχει κβαντικές διακυμάνσεις, ενώ η περιοχή έξω από τον κύλινδρο δεν έχει "τίποτα" με μηδενική πυκνότητα και πίεση. Φυσικά οι σωστοί όροι είναι "ψευδοκενό" για τον κύλινδρο μέσα και "αληθινό κενό" για έξω, αλλά η φυσική που εφαρμόζεται είναι η ίδια. Μέσα στον κύλινδρο δημιουργούνται συνεχώς virtual σωματίδια (κόκκινα) και αντισωματίδια (μπλε)