Από το παρόν στο παρελθόν: Η νέα προσέγγιση του Hawking για να γνωρίσουμε το σύμπαν

Πηγή: PhysicsWeb, 30 Ιουνίου 2006

Ο φυσικός Stephen Hawking του Καίμπριτζ και ο συνάδελφος του Thomas Hertog του CERN έχουν προτείνει μια ριζική νέα προσέγγιση για την κατανόηση του σύμπαντος που το μελετούν από τα "πάνω προς τα κάτω" κι όχι από "κάτω προς τα πάνω" όπως γίνεται στα παραδοσιακά μοντέλα. Η προσέγγιση αυτή αναγνωρίζει ότι το σύμπαν δεν έχει μόνο μια μοναδική αρχή και ιστορία αλλά ένας πλήθος διαφορετικών αρχών και πλήθος από ιστορίες, και ότι έχει δοκιμάσει όλες αυτές. Αλλά επειδή οι περισσότερες από αυτές τις άλλες εναλλακτικές ιστορίες εξαφανίστηκαν πολύ νωρίς μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη αφήνοντας πίσω τον Κόσμο που παρατηρούμε σήμερα, ο καλύτερος τρόπος για να καταλάβουμε το παρελθόν, λένε οι δύο επιστήμονες, είναι να ανιχνεύσουμε το παρελθόν του σύμπαντος (το κάτω) από το τι συμβαίνει σήμερα (από πάνω) (Phys. Rev. D 73 123527).

Τα περισσότερα μοντέλα του σύμπαντος είναι από κάτω προς τα πάνω, δηλαδή αρχίζετε από καλά καθορισμένους και με σαφήνεια αρχικές συνθήκες της Μεγάλης Έκρηξης και δουλεύεται χρονικά προς τα εμπρός. Εντούτοις, οι Hawking και Hertog λένε ότι αυτή η μέθοδος έχει προβλήματα επειδή εμείς δεν ξέρουμε και δεν μπορούμε να ξέρουμε τις αρχικές συνθήκες που ήταν παρόντες στην αρχή του Κόσμου και ότι ξέρουμε καλά μόνο την τελική κατάσταση -- αυτό που είμαστε τώρα. Η ιδέα τους, επομένως, είναι  να αρχίσουμε με τις συνθήκες που παρατηρούμε σήμερα -- όπως ότι ο κόσμος μας είναι τρισδιάστατα, σχεδόν επίπεδος και επεκτείνεται με ένα επιταχυνόμενο ρυθμό  -- και να δουλέψουμε χρονικά προς τα πίσω για να καθορίσουμε με τι έμοιαζαν οι αρχικές συνθήκες του σύμπαντος.

Η νέα θεωρία στοχεύει να αποφύγει ένα θεμελιώδες πρόβλημα της θεωρίας χορδών -- η δημοφιλέστερη υποψήφια θεωρία για μια "θεωρία των πάντων" -- που είναι ότι επιτρέπει την ύπαρξη ενός πλήθους διαφορετικών τύπων συμπάντων, όσο επίσης και το δικό μας. Κάθε πιθανός κόσμος σε αυτό το "τοπίο" έχει τις θεμελιώδεις σταθερές του, αλλά ακόμη και διαφορετικούς αριθμούς χωροχρονικών διαστάσεων. Επιπλέον, η θεωρία χορδών δεν ευνοεί κάποιο ιδιαίτερο σύμπαν σε σχέση με ένα άλλο, κάτι που δεν είναι μια καλή υπόθεση μιας και ζούμε σαφώς σε έναν κόσμο με ένα ιδιαίτερο - ειδικό - σύνολο φυσικών ιδιοτήτων.

Για να εξετάσουν την άποψη τους, οι Hawking και Hertog λένε ότι όλοι αυτοί οι εναλλακτικοί κόσμοι της θεωρίας χορδών μπορεί να είχαν υπάρξει στην πραγματικότητα μαζί κατά τις πρώτες-πρώτες στιγμές μετά από το Big Bang. Εκείνη τη στιγμή, το Σύμπαν ήταν σε μια "υπερθεση" όλων αυτών των πιθανών κόσμων. Εντούτοις, οι περισσότεροι από αυτούς τους κόσμους ακολούθως γρήγορα εξασθένισαν για να αφήσουν πίσω τους το σημερινό σύμπαν. Με το να ανιχνεύουμε τον κόσμο μας από το παρόν πίσω στο παρελθόν, μπορούμε να αγνοήσουμε τους περισσότερους από τους άλλους κλάδους, που είχε το Σύμπαν επειδή είναι πάρα πολύ διαφορετικοί από τον τρέχοντα κόσμο μας.

Ενώ αυτή η ιδέα ακούγεται φανταστική, είναι βασισμένη στη "άθροιση των πιθανών ιστοριών ενός σωματιδίου στον χώρο και στον χρόνο" του Richard Feynman στην κβαντική θεωρία, η οποία λέει ότι η πιθανότητα έστω ενός φωτονίου να φθάσει σε μια ειδική θέση μπορεί να υπολογιστεί αθροίζοντας όλες τις διαφορετικές πιθανές τροχιές του φωτονίου. Αν και το φωτόνιο θα μπορούσε να ακολουθήσει πλήθος διαφορετικών τροχιών, η ευθεία πορεία υπερισχύει πάνω σε όλες τις άλλες, κι έτσι αυτό που βλέπουμε είναι η ευθεία τροχιά κι όχι το πλήθος των διαφορετικών τροχιών. Με τον ίδιο τρόπο, οι Hawking και Hertog λένε ότι το Σύμπαν δεν πήρε μόνο μια διαδρομή μέσα στον χρόνο για να φθάσει στην σημερινή κατάστασή του, αλλά πήρε ένα πλήθος πορειών, ή ιστορίες όπως λένε. Η "άθροιση των πιθανών ιστοριών του Σύμπαντος στον χωρόχρονο" είναι επομένως ο Κόσμος που παρατηρούμε σήμερα.

Η νέα προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω θα μπορούσε επίσης να εξηγήσει γιατί μερικές σταθερές της φύσης φαίνονται να συντονίζονται πολύ λεπτά με τις τιμές που έχουν επιτρέψει να εμφανιστεί η ζωή στον κόσμο μας. Παραδείγματος χάριν, η κοσμολογική σταθερά, Λ -- η δύναμη που εμφανίζεται να προξενεί την επιταχυνόμενη διαστολή του κόσμου, ή η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας -- έχει μια μικρή θετική τιμή. Εάν ήταν λίγο μικρότερη ή λίγο μεγαλύτερη τότε η ζωή δεν θα υπήρχε. Σύμφωνα με τη νέα θεωρία, ο τρέχων κόσμος μας πρέπει "να έχει επιλέξει" εκείνες τις ιστορίες που οδήγησαν στη "σωστή" τιμή του Λ ειδάλλως δεν επρόκειτο να είμαστε εδώ για τον βλέπουμε -- μια θεωρία γνωστή επίσης ως "ανθρωπική αρχή".

Οι Hawking και Hertog λένε επίσης ότι το μοντέλο τους θα μπορούσε να δοκιμαστεί συγκρίνοντας τις παρατηρήσεις του μοτίβου των μικρών παραλλαγών πυκνότητας στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB), με αυτές που υπολογίστηκαν από τη θεωρία τους όταν ήταν το σύμπαν πιο αναπτυγμένο. Η CMB είναι η ακτινοβολία που έμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη και θα πρέπει να περιέχει τις " σφραγίδες" μερικών από τις πολύ πρόωρες εναλλακτικές ιστορίες μέσα του.

Η Ανθρωπική Αρχή

Σε γενικές γραμμές, η ανθρωπική αρχή δέχεται ότι εμείς βλέπουμε το σύμπαν να είναι όπως είναι, τουλάχιστον κατά ένα μέρος του, ακριβώς επειδή υπάρχουμε. Πρόκειται για μια αντίληψη εκ διαμέτρου αντίθετη με το όραμα εύρεσης μιας ενοποιημένης θεωρίας απόλυτης προβλεπτικής ισχύος · στα πλαίσια της, οι νόμοι της φύσης θα έχουν πλήρως διατυπωθεί και ο κόσμος μας θα είναι αυτός που είναι επειδή δεν θα μπορούσε να είναι διαφορετικός. Υπάρχουν διαφορετικές εκδοχές της ανθρωπικής αρχής, από τις ιδιαίτερα ασθενείς που μπορούν να χαρακτηριστούν τετριμμένες, ως τις εξαιρετικά ισχυρές που μπορούν να χαρακτηριστούν παράλογες.

1. Ασθενής ανθρωπική αρχή: "Αυτά που παρατηρούμε για το σύμπαν περιορίζονται από την απαίτηση να υπάρχουμε ως παρατηρητές."
2. Ισχυρή-ασθενής ανθρωπική αρχή: "Σε έναν τουλάχιστον κόσμο, απ' το σύμπαν των πολλών κόσμων, πρέπει να αναπτυχθεί ζωή."
3. Ισχυρή ανθρωπική αρχή: "Οι ιδιότητες του σύμπαντος πρέπει να είναι τέτοιες ώστε, κάποια στιγμή, να μπορεί να αναπτυχθεί ζωή."
4. Τελική ανθρωπική αρχή: "Η νοημοσύνη στο σύμπαν πρέπει να αναπτυχθεί και να μην εκλείψει ποτέ."

Μολονότι οι περισσότεροι επιστήμονες δεν είναι πρόθυμοι να υιοθετήσουν κάποια ισχυρή έκδοση της ανθρωπικής αρχής, λίγοι θα διαφωνούσαν με τη χρησιμότητα ορισμένων επιχειρημάτων ασθενούς τύπου.

Η ασθενής ανθρωπική αρχή ισοδυναμεί ουσιαστικά με μια εξήγηση του ποιες από τις διάφορες εποχές ή περιοχές του σύμπαντος θα μπορούσαμε να ενοικήσουμε. Για παράδειγμα, η Μεγάλη Έκρηξη συνέβη πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια επειδή το Σύμπαν θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλης ηλικίας ώστε κάποια άστρα να έχουν συμπληρώσει την εξέλιξη τους και να έχουν παραγάγει στοιχεία όπως το οξυγόνο και ο άνθρακας (από τα οποία είμαστε φτιαγμένοι), αλλά και αρκετά νέο ώστε να εξακολουθούν να υπάρχουν άστρα ικανά να παρέχουν ενέργεια για τη συντήρηση της ζωής.

Η φυσικός του ΜΙΤ Βέρα Κισαακόφσκι που ασπάζεται την ισχυρή ανθρωπική αρχή και θεωρεί ότι αποτελεί ένδειξη για την ύπαρξη του Θεού, λέει χαρακτηριστικά ότι η εξαίσια τάξη που μας αποκαλύπτεται μέσω της επιστημονικής κατανόησης του φυσικού κόσμου παραπέμπει στο θείο.  Με την άποψη αυτή συντάσσεται και ο ειδικός της σωματιδιακής φυσικής Τζον Πόλκινχορν, που άφησε τη θέση του στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ για να γίνει ιερέας της Αγγλικανικής Εκκλησίας. Κατά τον Πόλκινχορν, το σύμπαν "δεν είναι ένας 'οποιοσδήποτε κόσμος', αλλά ένας κόσμος ιδιαίτερος και τέλεια συντονισμένος για τη ζωή, επειδή φτιάχτηκε από τον Δημιουργό και αυτό ήταν το θέλημα Του."

Ακόμα και ο Νεύτων, ο άνθρωπος που μίλησε πρώτος για τους αμετάβλητους νόμους που κινούν τους πλανήτες και τα άστρα χωρίς θεϊκή παρέμβαση, πίστευε ότι η τελειότητα αυτών των νόμων υποδηλώνει την ύπαρξη του Θεού.

Ο νομπελίστας φυσικός Στίβεν Γουάινμπεργκ, αν και δεν έχει πειστεί για την αλήθεια της ανθρωπικής αρχής, αναγνωρίζει ωστόσο την απήχηση της: "Ο άνθρωπος έχει την ακατανίκητη τάση να πιστεύει ότι η σχέση του με το σύμπαν είναι ιδιαίτερη, ότι η ανθρώπινη ζωή δεν είναι το φαιδρό αποτέλεσμα μιας αλυσίδας τυχαίων συμβάντων που ανάγονται στα πρώτα τρία λεπτά, αλλά ότι ήμασταν αναπόσπαστο μέρος του από την αρχή." Παρ' όλ' αυτά, θεωρεί ότι η ισχυρή ανθρωπική αρχή "δεν είναι παρά μυστικιστικές ασυναρτησίες".

Άλλοι επιστήμονες αμφισβητούν ακόμη πιο έντονα την ανθρωπική αρχή. Ο εκλιπών φυσικός Χάιντς Πέιγκελς, αν και αρχικά εντυπωσιάστηκε από την ανθρωπική αρχή, τελικά έχασε το ενδιαφέρον του, επειδή όπως υποστήριζε η αρχή στερείται προβλεπτικής δύναμης. Κατά τη γνώμη του, είναι μια θεωρία που δεν μπορεί να ελεγχθεί και από την οποία δεν μπορούμε να αντλήσουμε πληροφορίες, οπότε τελικά εκπίπτει σε ένα χείμαρρο από κενές περιεχομένου ταυτολογίες - όπως ότι υπάρχουμε επειδή υπάρχουμε.

Την ανθρωπική αρχή απέρριψε και ο Γκαθ, λέγοντας: "Δε νομίζω ότι θα χρησιμοποιούσε κανείς την ανθρωπική αρχή αν είχε στη διάθεση του μια καλύτερη εξήγηση. Απ' όσο ξέρω, για παράδειγμα, δεν υπάρχει ανθρωπική αρχή για την παγκόσμια ιστορία. Στην ανθρωπική αρχή καταφεύγουν οι άνθρωποι όταν δεν μπορούν να σκεφτούν κάτι καλύτερο."

Μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, ο Feynman ανέπτυξε έναν νέο τρόπο αντίληψης της κβαντομηχανικής, για την οποία τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1965. Ο Feynman αμφισβήτησε τη βασική υπόθεση της κλασικής φυσικής ότι κάθε σωματίδιο έχει μια συγκεκριμένη ιστορία (κλασσική τροχιά Α). Αντίθετα, πρότεινε ότι τα σωματίδια κινούνται από ένα σημείο σε ένα άλλο ακολουθώντας κάθε δυνατή διαδρομή διαμέσου του χωροχρόνου (Στο ολοκλήρωμα διαδρομών του Feynman, το σωματίδιο ακολουθεί κάθε δυνατή διαδρομή, όπως η Β).

Σε κάθε διαδρομή, ο Feynman αντιστοίχισε δύο αριθμούς: έναν για το μέγεθος - το πλάτος - του αντίστοιχου κύματος, και έναν για τη φάση του - εάν βρίσκεται σε όρος ή σε κοιλάδα. Η πιθανότητα να μεταβεί ένα σωματίδιο από το Α στο Β υπολογίζεται αθροίζοντας τα κύματα που αντιστοιχούν σε όλες τις δυνατές διαδρομές που διέρχονται από τα Α και Β.

Στον κόσμο της καθημερινής εμπειρίας μας, βέβαια, τα αντικείμενα φαίνονται να ακολουθούν μία μόνο διαδρομή από την αφετηρία τους μέχρι τον προορισμό τους. Τούτο συμφωνεί με την ιδέα του Feynman περί πολλαπλών ιστοριών, διότι για μεγάλα σώματα, ο κανόνας αντιστοίχισης αριθμών σε κάθε διαδρομή διασφαλίζει ότι, όταν όλες οι διαδρομές συνδυαστούν, όλες πλην μιας αλληλοαναιρούνται. Όσον αφορά την κίνηση μακροσκοπικών αντικειμένων, μόνο μία από την απειρία των διαδρομών έχει σημασία, και η συγκεκριμένη διαδρομή είναι αυτή ακριβώς που προκύπτει από τους κλασικούς, νευτώνειους νόμους της κίνησης.