Ποιο είναι το σχήμα του σύμπαντος;

Συχνές ερωτήσεις, Φεβρουάριος 2009

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;

Ασφαλώς όλοι μας όπως και οι περισσότεροι αστρονόμοι θα ήθελαν να γνωρίζουν το σχήμα του σύμπαντος. Για το σχήμα υπάρχουν τρεις γενικές δυνατότητες.

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.

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.

Τι είναι όμως αυτό που καθορίζει το σχήμα του σύμπαντος; Είναι η πυκνότητα (και η κοσμολογική σταθερά, 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. 

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.

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 ορισμένες αποδείξεις στην Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου που την υποστηρίζουν). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το Σύμπαν υπέστη μια πολύ σύντομη εκθετική διαστολή περίπου 10^-30 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang. Το αποτέλεσμα αυτής της απίστευτης διαστολής ήταν το εξής: το σύμπαν από το μέγεθος του ενός ατόμου διευρύνθηκε πολύ γρήγορα στο μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος, μέχρι το τέλος της πληθωριστικής εποχής. 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 ο δορυφόρος WMAP μας πρόσφερε  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.