Η αρχή του χρόνου
1o μέρος

Μια διάλεξη του Stephen Hawking, Ιούνιος 2003

Συνέχεια στο 2ο μέρος .....

Πότε γεννήθηκε ο χρόνος; Και αν είναι να τελειώσει κάποτε, μήπως πρέπει ν' αρχίσουμε να πουλάμε τις μετοχές μας, έστω και σ' αυτήν την άσχημη περίοδο για τα χρηματιστήρια; 

Στην διάλεξη αυτή, θα ήθελα να συζητήσω το θέμα αν ο χρόνος έχει μια αρχή και αν θα έχει και ένα τέλος. Όλες οι ενδείξεις μοιάζουν να δείχνουν, ότι το Σύμπαν δεν υπήρχε πάντα, αλλά είχε μια αρχή περίπου πριν από 15 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή είναι ίσως η πιο αξιοσημείωτη ανακάλυψη της σύγχρονης Κοσμολογίας. Σήμερα την αποδεχόμαστε σχεδόν όλοι. Δεν είμαστε όμως ακόμη σίγουροι αν το Σύμπαν θα έχει ένα τέλος. Όταν έδωσα μια διάλεξη στην Ιαπωνία, κάποιος μου ζήτησε να μην αναφέρω την πιθανή κατάρρευση του Σύμπαντος, γιατί κάτι τέτοιο θα μπορούσε να επηρεάσει το χρηματιστήριο. Μπορώ όμως να διαβεβαιώσω τον καθένα που θα ένιωθε άβολα με τις επενδύσεις του, ότι είναι μάλλον νωρίς για ν' αρχίσει να πουλάει. Ακόμη και αν το Σύμπαν φτάσει σ' ένα τέλος, αυτό δεν θα συμβεί τουλάχιστον πριν περάσουν 12 δισεκατομμύρια χρόνια ακόμη. Μέχρι τότε, ίσως να έχουν φτάσει σε μια συμφωνία για το μέλλον του εμπορίου και οι χώρες στα πλαίσια του οργανισμού εμπορίου GATT. 

Η κλίμακα χρόνου του Σύμπαντος είναι πολύ μεγάλη συγκρινόμενη με την κλίμακα της ανθρώπινης ζωής. Δεν προκαλεί λοιπόν έκπληξη, το γεγονός ότι έως πρόσφατα, το Σύμπαν εθεωρείτο ότι παρέμενε στατικό και αμετάβλητο με το χρόνο. Από την άλλη μεριά είναι φανερό ότι η κοινωνία εξελίσσεται ως προς τον πολιτισμό και την τεχνολογία. Οι ενδείξεις μας λένε ότι η παρούσα μορφή της ανθρώπινης ιστορίας, δεν πηγαίνει πιο πίσω από μερικές χιλιάδες χρόνια πριν. Αλλιώς θα είμαστε πιο εξελιγμένοι απ' ότι πράγματι είμαστε. Έμοιαζε λοιπόν εύλογο μέχρι πρόσφατα, να πιστεύουμε ότι η ανθρώπινη φυλή και ίσως μαζί μ' αυτήν και όλο το Σύμπαν, είχε μια αρχή στο σχετικά κοντινό παρελθόν. Αρκετοί άνθρωποι όμως δεν ήταν ευχαριστημένοι με την ιδέα ότι το Σύμπαν είχε μια αρχή, διότι κάτι τέτοιο έμοιαζε να υπαινίσσεται την παρουσία ενός υπερφυσικού όντος το οποίο δημιούργησε το Σύμπαν. Οι άνθρωποι αυτοί προτιμούσαν να πιστεύουν ότι το Σύμπαν και η ανθρώπινη φυλή υπήρχε πάντα. Η εξήγηση που έδιναν για την ανθρώπινη πρόοδο ήταν ότι υπήρξαν περιοδικοί κατακλυσμοί και άλλες φυσικές καταστροφές, οι οποίες επανειλημμένα έφερναν ξανά και ξανά τους ανθρώπους πίσω στην πρωτόγονη κατάσταση. 

Η διαμάχη για το αν το Σύμπαν είχε μια αρχή ή όχι, διήρκεσε τον 19ο και τον 20ο αιώνα. Διεξήχθη κυρίως με όρους της θεολογίας και της φιλοσοφίας, ενώ ελάχιστη προσοχή δόθηκε στις παρατηρησιακές ενδείξεις που υπήρχαν. Κάτι τέτοιο μοιάζει εύλογο, δεδομένου του κακόφημου και όχι αξιόπιστου χαρακτήρα που είχαν οι κοσμολογικές παρατηρήσεις έως πρόσφατα. Ο κοσμολόγος Sir Arthur Eddington, κάποτε είπε: " Μη σας νοιάζει αν η θεωρία σας διαφωνεί με τις παρατηρήσεις, γιατί πιθανόν οι τελευταίες είναι λανθασμένες". Αν όμως η θεωρία σας διαφωνεί με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, δεν θα έχει καλή τύχη. Πράγματι, η θεωρία ότι το Σύμπαν υπήρχε πάντα, είναι σε σοβαρή διαφωνία με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής. Ο Δεύτερος Νόμος λέει ότι η αταξία μεγαλώνει πάντα με την πάροδο του χρόνου. Όπως και με το σχόλιο που κάναμε παραπάνω για την ανθρώπινη πρόοδο, μας δείχνει ότι θα πρέπει να υπήρξε κάποτε μια αρχή. Με την αύξηση της αταξίας βέβαια, το Σύμπαν θα έπρεπε να φτάσει σε μια κατάσταση πλήρους αταξίας όπου τα πάντα μέσα σ' αυτό θα βρίσκονταν στη ίδια θερμοκρασία. 

Ένα άλλο επιχείρημα κατά του στατικού απέραντου και αμετάβλητου Σύμπαντος θα ήταν και το εξής. Αν η κατανομή των άστρων στο Σύμπαν ήταν ομογενής σε άπειρη έκταση, τότε κάθε γραμμή ορατότητας που θα ξεκινούσε από τα μάτια μας στη Γη, θα έπρεπε να καταλήγει σε κάποιο άστρο του Σύμπαντος. Τότε όμως θα έπρεπε ο νυχτερινός ουρανός να είναι το ίδιο φωτεινός με την επιφάνεια του ήλιου. Ο μόνος τρόπος για να αποφύγουμε ένα τέτοιο παράδοξο, θα ήταν να δεχτούμε ότι, τα άστρα δεν υπήρχαν πάντα, αλλά άρχισαν να λάμπουν πριν από κάποιο χρόνο, κι έτσι δεν έχει φτάσει μια κατάσταση ομοιόμορφης θερμοκρασίας ακόμα. 

Σ' ένα Σύμπαν που θα ήταν ουσιαστικά στατικό, δεν θα υπήρχε κάποια δυναμική αιτία, γιατί ν' αρχίσουν ξαφνικά τα άστρα να λάμπουν κάποια στιγμή. Κάποια τέτοια στιγμή απαρχής της λάμψης τους, θα έπρεπε να έχει επιβληθεί από κάποια εξωτερική αιτία. Η κατάσταση θα ήταν όμως διαφορετική αν δεχόμαστε ότι το σύμπαν δεν είναι στατικό αλλά διαστελλόμενο. Οι γαλαξίες τότε κινούνται σταθερά απομακρυνόμενοι ο ένας από τον άλλο. Αυτό σημαίνει ότι βρίσκονταν κοντύτερα μεταξύ τους κατά το παρελθόν. Μπορούμε να σχεδιάσουμε την απόσταση δύο γαλαξιών ως συνάρτηση του χρόνου. Αν δεν υπήρχε επιτάχυνση οφειλόμενη στη βαρύτητα, το γράφημα θα ήταν μια ευθεία γραμμή. Θα προεκτεινόταν προς μια μηδενική απόσταση μεταξύ των γαλαξιών τη χρονική στιγμή πριν από 20 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. Κανείς θα περίμενε ότι η βαρύτητα θα έκανε τους γαλαξίες να επιταχύνονται ο ένας προς τον άλλο. Κάτι τέτοιο θα έκανε το γράφημά μας  της απόστασης των γαλαξιών, να κάμπτεται κάτω από την ευθεία γραμμή με την πάροδο του χρόνου. Έτσι η χρονική στιγμή που θα αντιστοιχούσε στη μηδενική απόσταση, θα ήταν λιγότερο από 20 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. 

Τη στιγμή εκείνη που την αποκαλούμε Big Bang, όλη η ύλη του Σύμπαντος θα ήταν συγκεντρωμένη στο ίδιο σημείο. Η πυκνότητα θα ήταν άπειρη. Η κατάσταση αυτή λέμε ότι αποτελεί μια ανωμαλία.  Σε μια ανωμαλία, όλοι οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν. Αυτό σημαίνει ότι η κατάσταση του Σύμπαντος μετά το Big Bang δεν θα εξαρτάται από οτιδήποτε συνέβη πριν, διότι οι αιτιοκρατικοί νόμοι που διέπουν το Σύμπαν, καταρρέουν στο Big Bang. Το Σύμπαν θα εξελιχθεί μετά το Big Bang, τελείως ανεξάρτητα από ότι υπήρχε πριν. Ακόμη και το ποσόν της ύλης στο σύμπαν, μπορεί να είναι διαφορετικό από αυτό που υπήρχε πριν από το Big Bang. Ακόμη δηλαδή και ο νόμος διατήρησης της ύλης παύει να ισχύει στην ανωμαλία αυτή. 

Επειδή λοιπόν τα γεγονότα πριν από το Big Bang δεν έχουν καμιά επίδραση στις παρατηρήσεις μας, κανείς μπορεί να τα αποκόψει από τη θεωρία μας, και να πει ότι ο χρόνος άρχισε μαζί με το Big Bang. Τα γεγονότα πριν από το Big Bang, απλώς δεν ορίζονται, διότι δεν υπάρχει τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε κάποιος να  μετρήσει τι συνέβη σε αυτά. Αυτό το είδος της αρχής του Σύμπαντος και του ίδιου του Χρόνου, είναι πολύ διαφορετικό σε σχέση με το είδος της αρχής που εθεωρείτο παλιότερα. Παλιότερα η αρχή έπρπε να επιβάλλεται από κάποιον εξωτερικό παράγοντα. Δεν υπάρχει καμιά δυναμική αιτία, γιατί η κίνηση των σωμάτων στο ηλιακό σύστημα δεν μπορεί να προεκταθεί πίσω στο παρελθόν, αρκετά πιο πίσω από το 4004 π.Χ,  ημερομηνία που δίνει η Βίβλος για τη Γένεση του Κόσμου. Αυτό θα απαιτούσε την παρέμβαση του Θεού, αν το Σύμπαν άρχιζε την ημερομηνία αυτή. Σε αντίθεση το Big Bang είναι μια αρχή που απαιτείται από τους δυναμικούς νόμους που κυβερνούν το Σύμπαν. Ως εκ τούτου είναι συστατικό του Σύμπαντος και δεν επιβάλλεται από εξωτερικούς προς το σύμπαν παράγοντες. 

Αν και οι επιστημονικοί νόμοι έμοιαζαν να προβλέπουν ότι το Σύμπαν είχε μια αρχή, οι ίδιοι έμοιαζαν επίσης να μην μπορούν να προβλέψουν πως άρχισαν όλα αυτά. Κάτι τέτοιο δεν ήταν βέβαια καθόλου ικανοποιητικό. Έτσι υπήρξαν αρκετές προσπάθειες να παρακαμφθεί το συμπέρασμα, ότι υπήρξε μια ανωμαλία άπειρης πυκνότητας κατά το παρελθόν. 

Μια ιδέα ήταν να τροποποιηθεί ο νόμος της βαρύτητας. Έτσι ώστε να προκύψει απωστικός. Αυτό θα μπορούσε να μας δώσει ως γράφημα για την απόσταση μεταξύ δύο γαλαξιών, μια καμπύλη που θα έτεινε στο μηδέν, αλλά δεν θα περνούσε ακριβώς από το μηδέν, σε κάποιο πεπερασμένο χρόνο του παρελθόντος. Αντίθετα, η ιδέα ήταν πως  καθώς οι γαλαξίες απομακρύνονταν μεταξύ τους, νέοι γαλαξίες σχηματίζονταν στο μεταξύ, από ύλη που υποτίθεται ότι δημιουργείται συνεχώς. Αυτή ήταν η θεωρία της σταθερής κατάστασης., που προτάθηκε από τους Bondi, Gold, και Hoyle. 

Η θεωρία της σταθερής κατάστασης, ήταν αυτό που ο Karl Popper θα αποκαλούσε, μια καλή επιστημονική θεωρία. Μπόρεσε να κάνει μερικές προβλέψεις, οι οποίες θα μπορούσαν να ελεγχθούν με παρατήρηση. Ατυχώς για την θεωρία, οι παρατηρήσεις δεν την δικαίωσαν. Το πρώτο πρόβλημα ήλθε από τις παρατηρήσεις στο Cambridge, σχετικά με τον αριθμό των ραδιοπηγών διαφόρων εντάσεων. Κατά μέσον όρο κανείς θα περίμενε ότι οι αμυδρότερες πηγές θα ήταν και οι πιο μακρινές. Κανείς θα περίμενε λοιπόν να είναι αριθμητικά περισσότερες από τις ισχυρές πηγές, που θα βρίσκονταν πιο κοντά μας. Όμως το γράφημα του αριθμού των ραδιοπηγών σε συνάρτηση με την ισχύ τους, μεγάλωνε πολύ πιο απότομα στις μικρές τιμές ισχύος, απ' ότι προέβλεπε η θεωρία της σταθερής κατάστασης. 

Έγιναν προσπάθειες να εξηγήσουμε  τη συμπεριφορά αυτού του γραφήματος, θεωρώντας ότι κάποιες από τις αμυδρές ραδιοπηγές βρίσκονταν μέσα στο γαλαξία μας, κι έτσι δεν μας έλεγαν τίποτα για την Κοσμολογία. Το επιχείρημα αυτό δεν επιβεβαιώθηκε από τις παραπέρα παρατηρήσεις. Αλλά το τελευταίο καρφί στο φέρετρο της θεωρίας της σταθερής κατάστασης ήρθε με την ανακάλυψη της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου το 1965.  Η ακτινοβολία αυτή είναι η ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις. Έχει το φάσμα που αντιστοιχεί στην  ακτινοβολία ενός μέλανος σώματος που βρίσκεται σε  θερμική ισορροπία στους 2,7^o Kelvin πάνω από το απόλυτο μηδέν.  Δεν φαίνεται να υπάρχει κανένας τρόπος να εξηγήσουμε αυτή την ακτινοβολία με τη θεωρία της σταθερής κατάστασης. 

Μια άλλη προσπάθεια για να αποφύγουμε την παραδοχή μιας αρχής του χρόνου, ήταν η υπόθεση ότι ίσως οι γαλαξίες δεν βρέθηκαν όλοι μαζί στο ίδιο σημείο κατά το παρελθόν. Αν και κατά μέσον όρο, οι γαλαξίες κινούνται απομακρυνόμενοι ο ένας από τον άλλο με σταθερό ρυθμό, έχουν επίσης και κάποιες μικρές πρόσθετες ταχύτητες, σε σχέση με την ομοιόμορφη διαστολή. Αυτές οι αποκαλούμενες "ιδιο-ταχύτητες" των γαλαξιών, μπορεί να είναι πλάγιας κατεύθυνσης σε σχέση με την ομοιόμορφη διαστολή.  Σχολιάστηκε λοιπόν πως αν σχεδιάζαμε την θέση των γαλαξιών πίσω στο χρόνο, οι τυχαίες ιδιοταχύτητες θα μας έδειχναν ότι οι γαλαξίες δεν θα συναντιόνταν όλοι στο ίδιο σημείο. Αντίθετα, αν είχε  υπάρξει μια προηγούμενη συσταλτική φάση του Σύμπαντος κατά την οποία οι γαλαξίες κινούνταν ο ένας προς τον άλλο, οι ιδιοταχύτητες θα σήμαιναν ότι οι γαλαξίες δεν κατέρρευσαν όλοι μαζί στη φάση αυτή, αλλά πέρασαν ο ένας δίπλα από τον άλλο και μετά άρχισαν να απομακρύνονται μεταξύ τους. Στην περιγραφή αυτή δεν θα είχε υπάρξει μια ανωμαλία άπειρης πυκνότητας και συνεπώς κατάρρευση των νόμων της φυσικής. Έτσι λοιπόν δεν θα υπήρχε αναγκαιότητα για το σύμπαν και τον ίδιο το Χρόνο να έχουν μια αρχή. Πράγματι, κανείς θα μπορούσε να υποθέσει ότι το Σύμπαν βρισκόταν σε μια αέναη ταλάντωση, αν και το πρόβλημα με τον Δεύτερο Θερμοδυναμικό Νόμο θα παρέμενε.  Κανείς θα περίμενε το Σύμπαν να βρίσκεται σε όλο και μεγαλύτερη αταξία μετά από κάθε ταλάντωση. Θα ήταν λοιπόν και πάλι δύσκολο να δούμε πως θα μπορούσε το Σύμπαν να ταλαντώνεται για άπειρο χρόνο. 

Η δυνατότητα αυτή να μην υπήρξε αρχικά μια συγκέντρωση όλων των γαλαξιών στο ίδιο σημείο, υποστηρίχτηκε σε μια εργασία δύο Ρώσων. Αυτοί θεώρησαν ότι δεν θα υπήρχαν ανωμαλίες σε μια λύση των εξισώσεων πεδίου της Γενικής Σχετικότητας, η οποία ήταν αρκετά γενική, υπό την έννοια ότι δεν θα είχε καμιά ακριβή συμμετρία. Παρόλα αυτά η θεώρησή τους αποδείχθηκε λανθασμένη, με την βοήθεια μιας σειράς θεωρημάτων που απέδειξαν οι Roger Penrose και εγώ ο ίδιος. Τα θεωρήματα αυτά έδειχναν ότι η Γενική Σχετικότητα προέβλεπε ανωμαλίες, όταν σε μια περιοχή υπήρχε μάζα πάνω από κάποιο όριο. Τα πρώτα θεωρήματα επινοήθηκαν για να δείξουν ότι ο χρόνος έφτανε σε κάποιο τέλος μέσα σε μια μαύρη τρύπα, η οποία σχηματιζόταν κατά την κατάρρευση ενός άστρου. Η διαστολή όμως του Σύμπαντος, είναι κάπως σαν την αντιστροφή στο χρόνο μιας κατάρρευσης ενός άστρου. Θέλω λοιπόν να σας δείξω ότι οι ενδείξεις από τις παρατηρήσεις μας, δείχνουν ότι το Σύμπαν περιέχει αρκετή μάζα, κι έτσι μπορεί να θεωρηθεί ότι συμπεριφέρεται σαν χρονική αντιστροφή μιας μαύρης τρύπας, κι έτσι περιέχει μια ανωμαλία. 

Για να συζητήσουμε τις παρατηρήσεις στην Κοσμολογία, είναι υποβοηθητικό να χαράξουμε ένα διάγραμμα γεγονότων στον χώρο και χρόνο, με τον χρόνο να αυξάνεται στον κατακόρυφο άξονα του διαγράμματος και τον χώρο στον οριζόντιο άξονα. Για να δείξουμε πλήρως ένα τέτοιο διάγραμμα θα χρειαζόμαστε μια τετραδιάστατη οθόνη. Όμως θα μπορούσαμε να κάνουμε την δουλειά μας και με δύο διαστάσεις μόνον, αρκεί να απεικονίζουμε μόνο τη μία εκ των τριών διαστάσεων του χώρου. 

Καθώς κοιτάζουμε προς τα έξω στο Σύμπαν, κοιτάζουμε πίσω στο παρελθόν, επειδή το φως έχει φύγει από τα μακρινά αντικείμενα πριν πολύ χρόνο, για να φτάσει σε μας σήμερα. Αυτό σημαίνει ότι τα γεγονότα που παρατηρούμε βρίσκονται σ' αυτό που αποκαλείται παρελθοντικός κώνος φωτός. η κορυφή του κώνου παριστάνει την θέση μας κατά την παρούσα στιγμή. 

Καθώς κανένας πηγαίνει πίσω στον χρόνο, πάνω στο διάγραμμα κώνος φωτός ανοίγει σε όλο και μεγαλύτερες αποστάσεις και το εμβαδόν του αυξάνει. Όμως αν υπάρχει αρκετή ύλη μέσα στον παρελθοντικό κώνο φωτός μας, η ύλη αυτή θα καμπυλώνει τις ακτίνες φωτός συγκεντρώνοντάς τις σαν φακός. Αυτό σημαίνει ότι καθώς πηγαίνουμε πίσω προς το παρελθόν, το εμβαδόν των κυκλικών τομών του κώνου φωτός μας, θα φτάσει σε ένα μέγιστο και μετά θ' αρχίσει να ελαττώνεται. Ακριβώς αυτή η εστίαση του παρελθοντικού κώνου φωτός μας, από τα βαρυτικά αποτελέσματα της ύλης μέσα στο Σύμπαν, είναι το σημάδι ότι το Σύμπαν  μέσα στον ορίζοντά του μοιάζει με τη χρονική αντιστροφή μιας μαύρης τρύπας. Αν κανείς μπορέσει να δείξει ότι υπάρχει αρκετή ύλη μέσα στο Σύμπαν, ικανή να εστιάσει τον κώνο φωτός του παρελθόντος μας, μπορεί στη συνέχεια να εφαρμόσει τα θεωρήματα της ανωμαλίας, για να δείξει ότι ο χρόνος πρέπει να έχει μια αρχή. 

Συνέχεια στο 2ο μέρος .....