Το Σύμπαν μπορεί να διαστέλλεται και να συστέλλεται συνέχεια σε ένα νέο κοσμολογικό μοντέλο

Πηγή: Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill, 31 Ιανουαρίου 2007

Ένα νέο κοσμολογικό μοντέλο αποδείχνει ότι το σύμπαν μπορεί να διαστέλλεται και να συστέλλεται συνέχεια, ανταγωνιζόμενο έτσι τις θεωρίες της Μεγάλης Έκρηξης και του Μεγάλου Σχίσματος, και λύνοντας ένα ακανθώδες σύγχρονο πρόβλημα της φυσικής, σύμφωνα με φυσικούς από το πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill.

Το κυκλικό μοντέλο που προτάθηκε από τον Paul Frampton, Louis Rubin και τον Lauris Baum, έχει τέσσερα βασικά μέρη: διαστολή, μεταστροφή πορείας, συστολή και αναπήδηση.

Κατά τη διάρκεια της διαστολής, η σκοτεινή ενέργεια -- η άγνωστη δύναμη που αναγκάζει τον Κόσμο να διαστέλλεται με ένα επιταχυνόμενο ρυθμό -- σπρώχνει συνεχώς μέχρις όλα τα κομμάτια της ύλης να απομακρυνθούν τόσο πολύ που τίποτα δεν μπορεί να γεφυρώσει τα χάσματα. Τα πάντα από τις μαύρες τρύπες έως τα άτομα θα αποσυντεθούν. Αυτό το σημείο, ένα κλάσμα του δευτερολέπτου πριν από το τέλος του χρόνου, είναι η μεταστροφή της πορείας.

Στην αναστροφή της πορείας, κάθε αποκομμένο από τα υπόλοιπα τμήμα καταρρέει και συστέλλεται ξεχωριστά αντί να ενωθεί πάλι με τα υπόλοιπα κομμάτια, σε ένα αντίστροφο Big Bang. Τα ξεχωριστά αυτά τμήματα γίνονται ένας άπειρος αριθμός ανεξάρτητων Κόσμων που συστέλλονται και αναπηδούν έπειτα προς τα έξω πάλι. Ενώ ακολουθεί και πάλι η φάση του πληθωρισμού κατά τρόπο παρόμοιο με τη Μεγάλη Έκρηξη. Ένα κομμάτι του παλιού κόσμου γίνεται το Σύμπαν μας.

"Αυτός ο κύκλος συμβαίνει άπειρες φορές, αποβάλλοντας κατά συνέπεια οποιαδήποτε αρχή ή τέλος του χρόνου", λέει ο Frampton. "Δεν υπάρχει στην ουσία κανένα Big Bang."

Οι κοσμολόγοι πρότειναν αρχικά ένα ταλαντούμενο μοντέλο του σύμπαντος, χωρίς αρχή ή τέλος, ως μια εναλλακτική λύση του Big Bang κατά τη δεκαετία του '30. Η ιδέα αυτή εγκαταλείφθηκε επειδή οι ταλαντώσεις δεν μπόρεσαν να συμφιλιωθούν με τους κανόνες της φυσικής, συμπεριλαμβανομένου και του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, λέει ο Frampton.

Ο δεύτερος νόμος λέει ότι η εντροπία (ένα μέτρο της αταξίας) δεν μπορεί να καταστραφεί. Αλλά εάν η εντροπία αυξάνεται από τη μια ταλάντωση έως την επόμενη, το σύμπαν γίνεται μεγαλύτερο σε κάθε κύκλο. "Το σύμπαν θα αυξανόταν ολοένα σαν μια χιονόμπαλα που κατεβαίνει από την κορυφή",  λέει ο Frampton. Κάθε ταλάντωση θα διαρκεί επίσης διαδοχικά πιο πολύ. "Αν πάμε πίσω στον χρόνο, αυτό υπονοεί ότι οι ταλαντώσεις στο παρελθόν ήταν ολοένα και πιο σύντομες. Αυτό οδηγεί αναπόφευκτα σε ένα Big Bang", τόνισε.

Οι Frampton και Baum παρακάμπτουν το Big Bang επειδή θέτουν ως αίτημα ότι, στην ανακύκλωση, οποιαδήποτε εντροπία που παρέμεινε είναι στα 'μπαλώματα' πάρα πολύ μακριά για να αλληλεπιδράσει.

Αν θέσουμε σαν αίτημα κάθε "μπάλωμα" να γίνει ένα ξεχωριστό σύμπαν τότε επιτρέπει σε κάθε Κόσμο να συσταλθεί ουσιαστικά χωρίς ύλη και εντροπία. "Η παρουσία οποιασδήποτε ύλης δημιουργεί αξεπέραστες δυσκολίες με τη συστολή", εξηγεί ο Frampton. "Η ιδέα της επιστροφής με κενόν είναι το σημαντικότερο συστατικό αυτού του νέου κυκλικού μοντέλου."

Αυτή η ιδέα ταρακούνησε τον Frampton όταν του ήρθε τον περασμένο Οκτώβριο.

"Είδα ξαφνικά ότι υπήρχε ένας νέος τρόπος για να λυθεί αυτό το φαινομενικά αδύνατο πρόβλημα", είπε. "Καθόμουν με τα πόδια μου στο γραφείο μου, μισό-κοιμισμένος και μπερδεμένος, και έπεσα σχεδόν από την καρέκλα μου όταν συνειδητοποίησα ότι υπήρχε μια πολύ, πολύ απλούστερη δυνατότητα."

Επίσης το κλειδί για το μοντέλο των Frampton και Baum είναι μια υπόθεση για την εξίσωση της κατάστασης της σκοτεινής ενέργειας -- η μαθηματική περιγραφή της πίεσης και της πυκνότητάς της. Οι Frampton και Baum υποθέτουν η εξίσωση της κατάστασης σκοτεινής ενέργειας είναι πάντα μικρότερη από -1. Το γεγονός αυτό διακρίνει την εργασία τους από ένα παρόμοιο κυκλικό μοντέλο που προτάθηκε το 2002 από τους φυσικούς Paul Steinhardt και Neil Turok, που υπέθεσαν ότι η εξίσωση της κατάστασης δεν είναι ποτέ λιγότερη από -1.

Μια αρνητική εξίσωση της κατάστασης δίνει στους Frampton και Baum έναν τρόπο να σταματήσουν το Σύμπαν από την χωρίς τέλος διαστολή και την απομάκρυνση όλων των συστατικών του, κάτι που οι φυσικοί έχουν ονομάσει Μεγάλο Σχίσμα. Οι δύο φυσικοί διαπίστωσε ότι στο μοντέλο τους, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας γίνεται ίση με την πυκνότητα του σύμπαντος και η διαστολή σταματά αμέσως προτού να γίνει το Μεγάλο Σχίσμα.

Οι νέοι δορυφόροι που αυτήν την περίοδο βρίσκονται υπό κατασκευή, όπως ο δορυφόρος Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, θα μπορούσαν να συγκεντρώσουν αρκετές πληροφορίες για να καθορίσουν την εξίσωση της κατάστασης της σκοτεινής ενέργειας, λέει ο Frampton.

Ένα άρθρο που περιγράφει το μοντέλο αυτό είναι διαθέσιμο στο arXiv.org και θα εμφανιστεί και σε ένα επερχόμενο τεύχος του Physical Review Letters. Η εργασία υποστηρίχθηκε εν μέρει από μια επιχορήγηση του υπουργείου ενέργειας.