Αιρετικός κοσμολόγος προβλέπει ένα σύμπαν χωρίς big bang

Πηγή: NewScientist, 5 Σεπτεμβρίου 2007

"Είμαι αιρετικός", ανήγγειλε ο Cristiano Germani σε ένα ακροατήριο κοσμολόγων τον περασμένο μήνα. Λίγοι θα διαφωνούσαν, δεδομένου ότι ο Germani προτείνει μια ριζικά εναλλακτική λύση της καθιερωμένης κοσμολογίας: έναν Κόσμο χωρίς να υπάρχει καμιά στιγμή όπου να έγινε το big bang, και κανένα γρήγορο πληθωρισμό.

Αντί για big bang, προτείνει τη θεωρία της 'σφεντόνας' (slingshot). Στις αρχές της δεκαετίας του '80, ο Alan Guth στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης πρότεινε ότι το σύμπαν μας υποβλήθηκε σε μια περίοδο γρήγορου πληθωρισμού - μια ταχύτατη διαστολή στα πρώτα 10^-34 δευτερόλεπτα μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο Germani, ένας κοσμολόγος στο Διεθνές Σχολείο Προηγμένων Μελετών στην Τεργέστη, λέει ότι ο πληθωρισμός είναι όμορφος και επιτυχής, αλλά επιμένει ότι πρέπει να τον αντικαταστήσουμε.

Οι έξι μικροσκοπικές κρυμμένες διαστάσεις του Κόσμου θεωρούνται ότι φιλοξενούνται σε ένα μυστηριώδες αντικείμενο, την πολλαπλότητα Calabi-Yau

"Δεν έχουμε καμιά θεμελιώδη φυσική εξήγηση για το πώς ή γιατί εμφανίστηκε", τονίζει. "Ακόμα και σήμερα οι κοσμολόγοι την δέχονται σαν να είναι μια θρησκεία". 

Η εναλλακτική λύση του Germani, που παρουσιάστηκε σε μια διάσκεψη της κοσμολογίας στο πανεπιστήμιο του Σάσσεξ, τον περασμένο μήνα, είναι βασισμένη σε μια θεωρία χορδών, ένα μοντέλο στο οποίο οι τρεις ορατές διαστάσεις του χώρου είναι περιορισμένες στην επιφάνεια μιας βράνης, που επιπλέει σε ένα χώρο 10-διαστάσεων. Οι πρόσθετες διαστάσεις είναι περιτυλιγμένες σε μια σύνθετη μορφή γνωστή σαν χώρος Calabi-Yau. Οι δυνάμεις και τα σωματίδια μέσα στον τρισδιάστατο Κόσμο μας είναι σκιές της κίνησης των βρανών και των χορδών στον χώρο Calabi-Yau.

Το πρόβλημα με τις απλούστερες εκδόσεις αυτού του μοντέλου είναι ότι ο χώρος Calabi-Yau είναι ασταθής, που συνεχώς πάλλεται και μεταβάλλεται σε μέγεθος. Κάθε ταλάντευση της επιφάνειας δημιουργεί ανεπιθύμητα σωματίδια και πρόσθετες δυνάμεις στο σύμπαν - αλλά κανένα δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ.

Προσπάθειες που έγιναν από τους θεωρητικούς των χορδών να σταθεροποιήσουν τον χώρο πάντα τον στρεβλώνουν, κάνοντας έτσι να αναδύονται παράξενες ακίδες και λαιμούς, λέει ο Germani. Κι αυτή η στρέβλωση, πιστεύει, είναι το κλειδί για την εξήγηση της εξέλιξης του σύμπαντος.

Ο Germani και οι συνάδελφοί του εξέτασαν τι θα συνέβαινε εάν μια βράνη που περιέχει τον Κόσμο μας έπεφτε από έναν από αυτούς τους λαιμούς. Αρχικά τα πράγματα θα έμοιαζαν εξαιρετικά απλά: το σύμπαν θα έπεφτε σαν μια πέτρα, θα συμπιεζόταν έως ότου συντριβόταν στην άκρη του λαιμού, κάτι αντίστοιχο με μια Μεγάλη Σύνθλιψη στην οποία το σύμπαν καταρρέει μέσα στον εαυτό του.

Όμως τότε ο Germani εξέτασε έναν Κόσμο περιστρεφόμενο. "Στην πραγματικότητα, είναι πολύς πιο ρεαλιστικό ότι το σύμπαν θα περιστρέφεται καθώς αυτό θα πέφτει", λέει. Κάτι πιο ενδιαφέρον συμβαίνει σε έναν περιστρεφόμενο Κόσμο καθώς αυτός εκσφενδονίζεται από το λαιμό προς τα κάτω. Επειδή περιστρέφεται, αποφεύγει να πέσει στην άκρη του λαιμού και αντιθέτως περιστρέφεται γύρω από αυτόν. Σαν ένα μπούμερανγκ ή μια πέτρα από μια σφεντόνα, ο Κόσμος πάει πάλι πίσω και μετά πάλι αντίθετα.

Ο Germani συνειδητοποίησε ότι το δεύτερο τμήμα αυτού του ταξιδιού θα μπορούσε να αντιστοιχήσει  στο διαστελλόμενο Κόσμο που παρατηρούμε σήμερα.

Άλλοι κοσμολόγοι έχουν προτείνει ότι το σύμπαν μας πέρασε από ένα επιφανειακά παρόμοιο κύκλο από Μεγάλων Εκρήξεων και  Μεγάλων Συνθλίψεων. Όμως ο μηχανισμός της 'σφεντόνας' του Germani είναι διαφορετικός από αυτό, επειδή ποτέ δεν στέλνει το σύμπαν να περάσει μέσω μιας ιδιομορφίας Μεγάλης Έκρηξης. Κατά συνέπεια, το μοντέλο αυτό μπορεί να λύσει το λεγόμενο "πρόβλημα του ορίζοντα" χωρίς να προσφύγουμε στον πληθωρισμό.

Το πρόβλημα του ορίζοντα μοιάζει με αυτό. Οπουδήποτε και να κοιτάξετε γύρω στο σύμπαν, η θερμοκρασία υποβάθρου είναι σχεδόν ίδια, αλλά πώς να έγινε αυτό αφού η σημερινή απόσταση δύο ακραίων σημείων του Κόσμου είναι πολύ μεγαλύτερη (πάνω από 40 δισ. έτη φωτός), από αυτή που μπορεί να ταξιδέψει το φως (13.7 δισ. έτη φωτός); Δεν υπήρχε δηλαδή αρκετός χρόνος μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, ώστε η ακτινοβολία να ταξιδέψει σε ολόκληρο το σύμπαν και να ξαναγυρίσει πίσω, ανταλλάσσοντας έτσι πληροφορίες για τη θερμοκρασία.

Ο πληθωρισμός λύνει αυτό το πρόβλημα επειδή περιοχές του διαστήματος που βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές του ορατού Κόσμου σήμερα, θα μπορούσαν κάποτε να ήσαν κοντά, και να απομακρύνθηκαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός. Άρα, στις πρώτες στιγμές του Κόσμου πριν τον πληθωρισμό μπορούσαν να ανταλλάξουν πληροφορίες για τη θερμοκρασία, κι έτσι σήμερα να εμφανίζονται με σχεδόν ίδια θερμοκρασία.

Με τη θεωρία της 'σφεντόνας' δεν υπάρχει καμιά ανάγκη για big bang και επομένως κανένα πρόβλημα του ορίζοντα. "Δεν έχουμε καμία αρχή του χρόνου, κι έτσι ο Κόσμος είναι αρκετά παλιός για περιοχές και στις δύο πλευρές του ουρανού, ώστε εύκολα ήταν σε σε επαφή στο παρελθόν", εξηγεί ο Germani. "Στο σενάριο της σφεντόνας θα μπορούσαμε να έχουμε έναν Κόσμο από πάντα."

Οι υπολογισμοί της ομάδας του επίσης δείχνουν ότι η προφανής τέλεια συντονισμένη πυκνότητα του σημερινού Κόσμου προκύπτει φυσικά, χρησιμοποιώντας το μοντέλο του, αν και ο πληθωρισμός είναι κι αυτός ικανός να το κάνει.

Πέρυσι, ο πληθωρισμός υποστηρίχτηκε από τις μετρήσεις των σχημάτων των ψυχρών και θερμών σημείων στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB), όπως φτιάχτηκαν από το Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, που φαίνονται να ταιριάζουν τέλεια με τις προβλέψεις του πληθωρισμού. Όταν ο Germani υπολόγισε πως οι 'σφραγίδες' της θερμοκρασίας θα αναπτύσσονταν στο δικό του μοντέλο για τον Κόσμο, αυτός διαπίστωσε ότι επίσης ταίριαζαν με τα δεδομένα του WMAP.

Ο Germani και οι συνάδελφοί του υπολογίζουν τώρα ποιες υπογραφές στο CMB θα μπορούσαν να διακρίνουν αυτό το μοντέλο από τον πληθωρισμό, με την ελπίδα ότι αυτές θα μπορούν να εμφανιστούν όταν πετάξει ο ευρωπαϊκός δορυφόρος Planck το 2008, κάνοντας ακόμα πιο λεπτομερείς μετρήσεις.

Στον κοσμολόγο Paul Frampton, στο πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill, αρέσει αυτή η ιδέα. "Έχουν λύσει τα βασικά προβλήματα που λύνει και ο πληθωρισμός και ταιριάζει αρκετά με τις πιο πρόσφατες παρατηρήσεις", τονίζει. 

Ο δε θεωρητικός των χορδών Damien Easson στο πανεπιστήμιο Durham συμφωνεί ότι ο πληθωρισμός χρειάζεται μια εξήγηση που να βασίζεται στη θεμελιώδη φυσική. Εντούτοις, δεν θεωρεί την κοσμολογική 'σφεντόνα΄ ένα μοντέλο ως απάντηση. "Είναι εξαιρετικά αμφισβητούμενο να υποστηρίξει κάποιος ότι έχει βρει μια εναλλακτική λύση, σε μια από τις πιο σεβαστές θεωρίες στην κοσμολογία", υποστηρίζει.

Ο Easson επισημαίνει ότι τα μοντέλα της θεωρίας χορδών παρουσιάζουν συνήθως τον Κόσμο ως ένα σωρό από βράνες στη μη-στρεβλωμένη περιοχή του χώρου Calabi- Yau, και έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για να εξηγήσει γιατί βλέπουμε τις δυνάμεις και τα σωματίδια που έχουμε. "Είναι δύσκολο να φανεί πώς μπορεί να επιτευχθεί αυτό εάν ο Κόσμος μας φύγει προς τα κάτω από το λαιμό", συμπληρώνει.

Ο Germani δέχεται ότι το μοντέλο του χρειάζεται ακόμα δουλειά, αλλά πιστεύει ότι αυτός τελικά θα αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση. "Θυμηθείτε, η θεωρία του πληθωρισμού είναι πάνω από 20 χρόνια, ενώ η θεωρία μου είναι ακόμα νεαρή", λέει.