Ήταν ο Αϊνστάιν σωστός όταν έλεγε ότι κάνει λάθος;

Πηγή: Ιταλικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής, Ιούνιος 2006

Γιατί το σύμπαν διαστέλλεται με ένα επιταχυνόμενο ρυθμό, σκορπώντας το περιεχόμενό του σε ολοένα και μεγαλύτερο χώρο στο διάστημα; Μια αρχική λύση σε αυτόν τον γρίφο, που βεβαίως είναι η πιο συναρπαστική ερώτηση στη σύγχρονη κοσμολογία, την εισηγήθηκαν τέσσερις θεωρητικοί φυσικοί, ο Edward Kolb του εργαστηρίου Fermi στο Σικάγο, ο Sabino Matarrese του πανεπιστημίου της Πάδοβας, ο Alessio Notari από το πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ και ο Antonio Riotto από το Istituto Nazionale Di Fisica Nucleare στην Πάδοβα. Η μελέτη τους υποβλήθηκε για δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό ετών, η διαστολή του σύμπαντος έχει αποτελέσει ένα αντικείμενο έντονων συζητήσεων, δεσμεύοντας τα λαμπρότερα μυαλά του αιώνα. Όπως και οι σύγχρονοι του, ο Αλβέρτος Αϊνστάιν αρχικά σκέφτηκε ότι το σύμπαν ήταν στατικό: ότι δηλαδή ούτε επεκτείνεται ούτε συρρικνώνεται. Όταν η θεωρία του, της γενικής σχετικότητας, σαφώς έδειξε ότι το σύμπαν πρέπει να διαστέλλεται ή να συρρικνώνεται, τότε ο Αϊνστάιν επέλεξε να εισαγάγει ένα νέο παράγοντα στη θεωρία του. Την κοσμολογική σταθερά, που αντιπροσώπευε την πυκνότητα (ενέργειας) του κενού διαστήματος, που οδηγούσε το σύμπαν σε διαστολή με ένα συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό.

Όταν το 1929 ο Edwin Hubble απέδειξε ότι στην πραγματικότητα το σύμπαν επεκτείνεται, ο Αϊνστάιν αποκήρυξε την κοσμολογική σταθερά του, ονομάζοντας την το "πιο μεγάλο σφάλμα της ζωής μου". Κατόπιν, μετά από έναν σχεδόν αιώνα, οι φυσικοί ανάστησαν την κοσμολογική σταθερά με μια παραλλαγή που την ονόμασαν σκοτεινή ενέργεια του κενού. Το 1998, οι παρατηρήσεις των πολύ απόμακρων σουπερνοβών κατέδειξαν ότι το σύμπαν επεκτείνεται με ένα επιταχυνόμενο ρυθμό. Αυτή η επιταχυνόμενη διαστολή φάνηκε να εξηγείται ωραία μόνο με την παρουσία ενός νέου συστατικού του σύμπαντος, μια "σκοτεινή ενέργεια," που αντιπροσωπεύει περίπου το 70 τοις εκατό της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Από το υπόλοιπο, περίπου το 25 τοις εκατό εμφανίζεται να είναι υπό μορφή ενός άλλου μυστήριου συστατικού, της σκοτεινής ύλης, ενώ μόνο το 5 τοις εκατό περίπου περιλαμβάνει τη συνηθισμένη ύλη, τα κουάρκ, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια από τα οποία εμείς και οι γαλαξίες αποτελούμαστε.

"Η υπόθεση της σκοτεινής ενέργειας είναι εξαιρετικά συναρπαστική", εξηγεί ο Antonio Riotto, "αλλά από την άλλη αντιπροσωπεύει ένα σοβαρό πρόβλημα. Κανένα θεωρητικό μοντέλο, ακόμα και η πιο σύγχρονη, όπως είναι η υπερ-συμμετρία ή η θεωρία χορδών, δεν είναι σε θέση να εξηγήσει την παρουσία αυτής της μυστήριας σκοτεινής ενέργειας στην ποσότητα που μας δείχνουν οι παρατηρήσεις. Εάν η σκοτεινή ενέργεια ήταν στο μέγεθος που προβλέπουν οι θεωρίες, τότε το σύμπαν θα είχε επεκταθεί με μια τέτοια φανταστική ταχύτητα που θα είχε αποτρέψει την ύπαρξη όλων των σωμάτων που ξέρουμε στον κόσμο μας".

Δεν χρειάζεται καμιά σκοτεινή ενέργεια

Η απαραίτητη ποσότητα σκοτεινής ενέργειας είναι τόσο δύσκολο να συμφιλιωθεί με τους γνωστούς νόμους της φύσης που οι φυσικοί έχουν προτείνει όλα τα είδη των εξωτικών εξηγήσεων, συμπεριλαμβανομένων των νέων δυνάμεων, των νέων διαστάσεων του χωρόχρονου, και των νέων στοιχειωδών σωματιδίων υπερβολικά ελαφρών. Εντούτοις, η νέα μελέτη δεν προτείνει κανένα νέο συστατικό για το σύμπαν, παρά μόνο μια αναγνώριση ότι η παρούσα επιτάχυνση του σύμπαντος είναι μια συνέπεια του καθιερωμένου κοσμολογικού προτύπου για το αρχικό σύμπαν: τον πληθωρισμό.

"Η λύση μας στο παράδοξο που τίθεται από την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος", αναφέρει ο Riotto, "στηρίζεται στην πληθωριστική θεωρία, που γεννήθηκε το 1981. Σύμφωνα με αυτήν την θεωρία, μέσα σε ένα απειροελάχιστο κλάσμα του ενός δευτερολέπτου μετά από το Big Bang, το σύμπαν δοκίμασε μια απίστευτα γρήγορη διαστολή. Αυτή η τρομακτική διαστολή εξηγεί γιατί το σύμπαν μας φαίνεται να είναι πολύ ομοιογενής. Πρόσφατα, τα πειράματα WMAP και Boomerang, που μέτρησαν τις μικρές διακυμάνσεις στην ακτινοβολία υποβάθρου, που δημιουργήθηκε μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, επιβεβαίωσαν την πληθωριστική θεωρία.

Είναι αποδεκτό από τους περισσότερους ότι κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής επέκτασης, στις αρχές της ιστορίας του σύμπαντος,  παρήχθησαν πολύ μικροσκοπικοί κυματισμοί του χωρόχρονου, όπως προβλέπεται από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Αυτοί οι κυματισμοί 'τεντώθηκαν' λόγω της επέκτασης του σύμπαντος και επεκτείνονται σήμερα αρκετά πέρα από τον κοσμικό ορίζοντά μας, που είναι μια περιοχή πολύ μεγαλύτερη από τον κόσμο που μπορούμε να δούμε, μια απόσταση περίπου 15 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Οι συντάκτες της μελέτης προτείνουν ότι: η εξέλιξη αυτών των κοσμικών κυματισμών είναι που αυξάνει την παρατηρηθείσα διαστολή του σύμπαντος και αποτελεί την εξήγηση της επιτάχυνσης του.

"Συνειδητοποιήσαμε ότι πρέπει απλά να προσθέσετε αυτό το νέο βασικό συστατικό, δηλαδή τους κυματισμούς του χωρόχρονου που παράγονται κατά τη διάρκεια της εποχής του πληθωρισμού, στη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν για να εξηγήσουμε γιατί το σύμπαν επιταχύνεται σήμερα", λέει ο Riotto. "Φαίνεται ότι η λύση στο γρίφο της επιτάχυνσης περιλαμβάνει και τον κόσμο πέρα από τον κοσμικό ορίζοντά μας. Δεν απαιτείται καμία μυστήρια σκοτεινή ενέργεια".

Ο Kolb του Fermilab αποκάλεσε την πρόταση των θεωρητικών φυσικών σαν την πιο συντηρητική εξήγηση για την επιτάχυνση της διαστολής του κόσμου. "Η θεωρία τους απαιτεί μόνο μια κατάλληλη λογιστική των φυσικών αποτελεσμάτων των κυματισμών πέρα από τον κοσμικό ορίζοντά μας", είπε.

Τα στοιχεία από τα επερχόμενα πειράματα θα επιτρέψουν στους κοσμολόγους να εξετάσουν την πρόταση. "Εάν ο Αϊνστάιν είχε δίκιο όταν εισήγαγε αρχικά την κοσμολογική σταθερά, ή εάν ήταν σωστός όταν την αντέκρουσε αργότερα, αυτή η ιδέα θα εξεταστεί σύντομα από έναν νέο κύκλο κοσμολογικών παρατηρήσεων ακρίβειας", τονίζει ο Kolb. "Τα νέα πειραματικά δεδομένα θα μας επιτρέψουν σύντομα να διακρίνουμε μεταξύ της εξήγησής μας για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος και της λύσης της σκοτεινής ενέργειας".

Για το πληθωριστικό μοντέλο

Το πληθωριστικό μοντέλο έχει γίνει από τότε ένα παράδειγμα στη σύγχρονη κοσμολογία. Η βασική ιδέα, κοινή για όλα τα μοντέλα του πληθωρισμού, είναι ότι σε κάποια στιγμή, στις απαρχές του σύμπαντος, μετά από το Big Bang, το σύμπαν υποβλήθηκε σε μια γρήγορη εκθετική διαστολή που αυξήθηκε σε μέγεθος κατά έναν παράγοντα. Η μεγάλη διαστολή κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής φάσης αραίωσε την αφθονία των εναπομεινάντων μονόπολων και λείανε οποιαδήποτε αρχική χωρική κυρτότητα, οδηγώντας έτσι σε έναν σύμπαν που είναι πολύ κοντά σε επίπεδο χώρο,  στην σημερινή εποχή.

Επιπλέον, οι κβαντικές διακυμάνσεις που παρήχθησαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού "τεντώθηκαν" σε κλίμακα τάξης πολλών μεγεθών παράγοντας διακυμάνσεις πυκνότητας που μπόρεσαν έπειτα να αυξηθούν λόγω της βαρύτητας και να κάνουν έτσι τους γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών που φαίνονται στο σύμπαν σήμερα

Οι μετρήσεις του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων (CMB), υποστηρίζουν την ιδέα μιας πρόωρης "πληθωριστικής" εποχής κατά τη διάρκεια της οποίας ο αισθητός κόσμος, επεκτάθηκε με ταχύτητα πάνω από την ταχύτητα του φωτός και μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις, στην πυκνότητα της ύλης, ενισχύθηκαν δημιουργώντας πολύ μεγαλύτερες δομές. Αυτές οι δομές αποτυπώνονται στο CMB ως εξασθενημένες μεταβολές στη θερμοκρασία, στις περιοχές του ουρανού που αποτυπώνονονται στην περιοχή των μικροκυμάτων.

Η κοσμολογική θεωρία του πληθωριστικού Σύμπαντος αναπτύχθηκε κατά ένα μέρος για να λύσει και το πρόβλημα των μαγνητικών μονόπολων.  Την εποχή λοιπόν μετά τα 10^-35 sec, οι κβαντικές διακυμάνσεις με ένα ειδικό τρόπο του κβαντικού πεδίου, οδήγησαν το σύμπαν να διασταλεί τόσο γρήγορα που η πυκνότητα των μονόπολων που παρήχθησαν στην αρχή του Big bang ελαττώθηκε τόσο, ώστε να μην βλέπουμε πια κανένα μονόπολο μέσα στο ορατό μας Σύμπαν.

Εξηγεί το πρόβλημα των οριζόντων. Γιατί δηλαδή πολύ απομακρυσμένα μέρη του Σύμπαντος -περιοχές τόσο μακρυά η μια με την άλλη που καμιά επικοινωνία μεταξύ τους δεν είναι δυνατή - μοιάζουν εν τούτοις τόσο παρόμοιες σαν να ήταν οι πλησιέστεροι γείτονες. Η θεωρία του πληθωρισμού προτείνει ότι όταν ξεκίνησε ο κόσμος, αυτές οι περιοχές ήταν πράγματι γείτονες και έπειτα διαχωρίστηκαν πολύ γρήγορα σε μεγάλες αποστάσεις.

Το αραχνοειδές δίκτυο των γαλαξιών όπως φαίνεται σε μια προσομοίωση

Επίσης, επιλύει το πρόβλημα της επιπεδότητας του χωρόχρονου, κάνοντας το Σύμπαν να φαίνεται επίπεδο. Οποιαδήποτε καμπυλότητα του χωροχρόνου θα είχε απαλειφθεί από την ταχύτατη εκείνη διαστολή του Σύμπαντος. Επιπλέον, η πληθωριστική διαστολή θα είχε παράσχει έναν τρόπο στις τυχαίες υποατομικές διακυμάνσεις στο αρχικό Σύμπαν, να διογκωθούν σε μακροσκοπικές αναλογίες. Με το πέρασμα του χρόνου, η βαρύτητα θα μπορούσε έπειτα να σχηματοποιήσει αυτές τις παραλλαγές στο αραχνοειδές δίκτυο των γαλαξιών και των κενών μεταξύ τους, όπως φαίνονται σήμερα στο Σύμπαν.

Το μοντέλο του Big Bang όταν συνδυάζεται με τον πληθωρισμό ταιριάζει με διάφορες σημαντικές παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της λεπτομερούς δομής της ακτινοβολίας που αποκαλείται Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων, και η οποία είναι υπόλειμμα από την γέννηση του κόσμου. Τα στοιχεία που συγκεντρώνονται από διάφορα μπαλόνια-παρατηρητήρια και επίγεια τηλεσκόπια επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις του μοντέλου του πληθωρισμού.