Θεωρίες φυσικής Κοσμολογία

Δεν υπήρχε καμιά ιδιομορφία στις απαρχές του σύμπαντος, στην Μεγάλη Έκρηξη

Written by Δ.Μ.

Σχεδόν όλοι έχουν ακούσει την ιστορία του Big Bang. Αλλά αν ζητήσετε από κάποιον να ολοκληρώσει την ακόλουθη φράση: «Στην αρχή, υπήρχε …» θα πάρετε πολλές διαφορετικές απαντήσεις. Μία από τις πιο συνηθισμένες είναι η «ιδιομορφία», που αναφέρεται σε μια στιγμή όπου όλη η ύλη και η ενέργεια στο Σύμπαν συγκεντρώνονταν σε ένα μόνο σημείο. Οι θερμοκρασίες, οι πυκνότητες και οι ενέργειες του Σύμπαντος θα ήταν αυθαίρετα, άπειρα μεγάλες και θα μπορούσαν να συμπίπτουν με τη γέννηση του ίδιου του χρόνου και του χώρου.

Share

Σχεδόν όλοι έχουν ακούσει την ιστορία του Big Bang. Αλλά αν ζητήσετε από κάποιον να ολοκληρώσει την ακόλουθη φράση: «Στην αρχή, υπήρχε …» θα πάρετε πολλές διαφορετικές απαντήσεις. Μία από τις πιο συνηθισμένες είναι η «ιδιομορφία», που αναφέρεται σε μια στιγμή όπου όλη η ύλη και η ενέργεια στο Σύμπαν συγκεντρώνονταν σε ένα μόνο σημείο. Οι θερμοκρασίες, οι πυκνότητες και οι ενέργειες του Σύμπαντος θα ήταν αυθαίρετα, άπειρα μεγάλες και θα μπορούσαν να συμπίπτουν με τη γέννηση του ίδιου του χρόνου και του χώρου.

expansionoftuniverseΜια απεικόνιση της κοσμικής μας ιστορίας, από τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι σήμερα, στο πλαίσιο του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Το καυτό Big Bang προηγήθηκε από την κατάσταση του κοσμικού πληθωρισμού, αλλά η ιδέα ότι από όλα αυτά πρέπει να προηγηθεί μια ιδιομορφία είναι θλιβερά ξεπερασμένη.

Αλλά αυτή η εικόνα δεν είναι μόνο λάθος, είναι σχεδόν 40 χρόνια μακριά από την ημερομηνία που δεν τη δεχόμαστε! Είμαστε απόλυτα βέβαιοι ότι δεν υπήρχε ιδιομορφία που να συνδέεται με το καυτό Big Bang, και ίσως να μην είχε καν γεννηθεί ο χώρος και ο χρόνος καθόλου. Ακολουθεί αυτό που γνωρίζουμε και πώς το γνωρίζουμε.  

distant-blobs

Η έρευνα GOODS-North, που παρουσιάζεται εδώ, περιέχει μερικούς από τους πιο μακρινούς γαλαξίες που παρατηρήθηκαν ποτέ, πολλοί από τους οποίους είναι ήδη πολύ μακριά από εμάς. Καθώς βλέπουμε σε όλο και μεγαλύτερες αποστάσεις, διαπιστώνουμε ότι οι πιο μακρινοί γαλαξίες φαίνεται να υποχωρούν από εμάς ολοένα και πιο γρήγορα, εξαιτίας της επέκτασης του Σύμπαντος.

Όταν βλέπουμε στο Σύμπαν σήμερα, βλέπουμε ότι είναι γεμάτος γαλαξίες προς όλες τις κατευθύνσεις σε μια μεγάλη ποικιλία αποστάσεων. Κατά μέσο όρο, διαπιστώνουμε επίσης ότι όσο πιο μακρινός είναι ο γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς. Αυτό δεν οφείλεται στις πραγματικές κινήσεις των μεμονωμένων γαλαξιών μέσω του χώρου. οφείλεται στο γεγονός ότι ο ιστός του ίδιου του χώρου επεκτείνεται.

Αυτή ήταν μια πρόβλεψη που ξεκίνησε για πρώτη φορά από τη Γενική Σχετικότητα το 1922 από τον Αλέξανδρο Φρήντμαν και επιβεβαιώθηκε πλήρως από το έργο του Edwin Hubble και άλλων στη δεκαετία του 1920. Σημαίνει ότι με το πέρασμα του χρόνου η ύλη μέσα σε αυτό εξαπλώνεται και γίνεται λιγότερο πυκνή, καθώς ο όγκος του Σύμπαντος αυξάνεται. Σημαίνει επίσης ότι, αν κοιτάξουμε στο παρελθόν, το Σύμπαν ήταν πιο πυκνό, θερμότερο και πιο ομοιόμορφο.

singularity1

Εάν κοιτάξουμε πίσω στον χρόνο, φτάνουμε σε ολοένα θερμότερες και πυκνότερες καταστάσεις. Αυτό μήπως κορυφώνεται σε μια ιδιομορφία, όπου οι ίδιοι οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν; 

Εάν επρόκειτο να πάτε ολοένα και πιο πίσω στον χρόνο, θα αρχίσετε να παρατηρείτε μερικές σημαντικές αλλαγές στο Σύμπαν. Συγκεκριμένα:

  • έρχεστε σε μια εποχή όπου η βαρύτητα δεν είχε αρκετό χρόνο για να τραβήξει την ύλη σε αρκετά μεγάλα σμήνη για να έχει αστέρια και γαλαξίες,
  • έρχεστε σε ένα μέρος όπου το Σύμπαν ήταν τόσο καυτό που δεν μπορούσε να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα,
  • και στη συνέχεια, εκεί όπου ακόμη και οι πυρήνες των ατόμων ήταν διαχωρισμένοι,
  • όπου θα σχηματίζονταν ζευγάρια ύλης-αντιύλης αυθόρμητα,
  • και όπου μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια θα διαχωρίζονται σε κουάρκ και γλουόνια.

     

Cosmo3

Μια ιδιομορφία είναι εκεί όπου η συμβατική φυσική σπάει, συμπεριλαμβανομένης και της αρχής του Σύμπαντος. Ωστόσο, υπάρχουν συνέπειες για την επίτευξη αυθαίρετα καυτών, πυκνών καταστάσεων στο Σύμπαν και πολλές από αυτές δεν καταφέρνουν να διατηρηθούν για να παρατηρηθούν

Κάθε βήμα αντιπροσωπεύει το Σύμπαν όταν ήταν νεώτερο, μικρότερο, πυκνότερο και θερμότερο. Τελικά, αν συνεχίσετε να προχωράτε προς τα πίσω, θα δείτε αυτές τις πυκνότητες και θερμοκρασίες να φτάνουν σε άπειρες τιμές, καθώς όλο η ύλη και η ενέργεια στο Σύμπαν περιείχε ένα μόνο σημείο: μια ιδιομορφία. Το καυτό Big Bang, όπως είχε αρχικά σχεδιαστεί, δεν ήταν απλώς μία καυτή, πυκνή, αναπτυσσόμενη κατάσταση, αλλά αντιπροσώπευε μια στιγμή όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν. Ήταν η γέννηση του χώρου και του χρόνου: ένας τρόπος να αποκτήσουμε αυθόρμητα ολόκληρο το Σύμπαν. Ήταν η τελική πράξη της δημιουργίας: η ιδιομορφία που συνδέεται με το Big Bang.

cosmic-epochs

Τα αστέρια και οι γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα δεν υπήρχαν πάντοτε, και όσο πιο πίσω πηγαίνουμε, τόσο πιο κοντά είναι η φανερή ιδιομορφία που αποκτά το Σύμπαν, αλλά υπάρχει ένα όριο σε αυτή την προέκταση.

Ωστόσο, εάν αυτό ήταν σωστό και το Σύμπαν είχε επιτύχει αυθαίρετα υψηλές θερμοκρασίες στο παρελθόν, θα υπήρχαν αρκετές σαφείς υπογραφές αυτού που θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε σήμερα. Θα υπήρχαν διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην απομένουσα λάμψη της Μεγάλης Έκρηξης (μικροκυματική ακτινοβολία) που θα είχαν εξαιρετικά μεγάλα πλάτη. Οι διακυμάνσεις που βλέπουμε θα περιορίζονται από την ταχύτητα του φωτός. θα εμφανίζονταν μόνο σε κλίμακες του κοσμικού ορίζοντα και μικρότερες. Θα υπήρχαν απομεινάρια, κοσμικές δομές υψηλής ενέργειας από προηγούμενες εποχές, όπως τα μαγνητικά μονόπολα.

Και όμως, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας είναι μόνο 1-μέρος-προς-30.000, χιλιάδες φορές μικρότερες από τις προβλέψεις ενός Big Bang με ιδιομορφία. Οι διακυμάνσεις του υπερ-ορίζοντα είναι πραγματικές, επιβεβαιωμένες έντονα από το διαστημικό παρατηρητήριο WMAP καθώς και τον Planck. Και οι περιορισμοί για τα μαγνητικά μονόπολα και τα άλλα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας λείψανα είναι εξαιρετικά σφιχτοί. Αυτές οι υπογραφές που λείπουν έχουν τεράστιες συνέπειες: το Σύμπαν δεν έφθασε ποτέ σε αυτές τις αυθαίρετα μεγάλες θερμοκρασίες.

 Planck_CMB

Οι διακυμάνσεις στο Κοσμικό Υπόβαθρο των Μικροκυμάτων (CMB) είναι τόσο μικρού μεγέθους και ενός τέτοιου ιδιαίτερου μοτίβου που δείχνουν έντονα ότι το Σύμπαν ξεκίνησε με την ίδια θερμοκρασία παντού και είχε μόνο μικρές διακυμάνσεις 1-μέρος προς 30.000, πράγμα που είναι ασυμβίβαστο με το αυθαίρετα καυτό Big Bang.

Αντ ‘αυτού, θα πρέπει να υπήρξε ένα απότομο όριο. Δεν μπορούμε να πάμε αυθαίρετα μακριά, σε μια καυτή και πυκνή κατάσταση που φτάνει σε οποιεσδήποτε τεράστιες ενέργειες μπορούμε να ονειρευόμαστε. Υπάρχει ένα όριο στο πόσο μπορούμε να πάμε και να περιγράψουμε έγκυρα το σύμπαν μας. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, θεωρήθηκε ότι πριν το σύμπαν μας ήταν καυτό, πυκνό, διαστελλόμενο, ψυχόμενο και γεμάτο από ύλη και ακτινοβολία, “φούσκωνε” με την διαδικασία του πληθωρισμού. Μια φάση κοσμικού πληθωρισμού θα σήμαινε ότι το Σύμπαν :

  • θα ήταν γεμάτο με ενέργεια που είναι εγγενής στον ίδιο το χώρο,
  • που να του προκαλεί μια γρήγορη, εκθετική διαστολή,
  • που να εκτείνεται έτσι ώστε το Σύμπαν να γίνει επίπεδο,
  • να έχει τα ίδια χαρακτηριστικά παντού,
  • με κβαντικές διακυμάνσεις μικρού πλάτους,
  • που να τεντώνεται σε όλες τις κλίμακες.

και έπειτα ο πληθωρισμός τελειώνει.

inflating-U

Ο πληθωρισμός προκαλεί εκθετική διαστολή του χώρου, γεγονός που μπορεί πολύ γρήγορα να οδηγήσει σε μια οποιαδήποτε προϋπάρχουσα καμπύλη ή με μία μη ομαλή εμφάνιση να γίνει επίπεδη. Αν το Σύμπαν είναι καμπύλο, έχει ακτίνα καμπυλότητας που είναι τουλάχιστον εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από ό, τι μπορούμε να παρατηρήσουμε.

Όταν αυτό συμβεί, μετατρέπει εκείνη την ενέργεια, η οποία ήταν προηγουμένως εγγενής στο ίδιο το διάστημα, σε ύλη και ακτινοβολία, η οποία οδηγεί στο καυτό Big Bang. Αλλά δεν οδηγεί σε ένα αυθαίρετο καυτό Big Bang, αλλά μάλλον σε μια μέγιστη θερμοκρασία που είναι κατά πολύ εκατοντάδες φορές μικρότερη από την κλίμακα με την οποία θα μπορούσε να προκύψει μια ιδιομορφία. Με άλλα λόγια, οδηγεί σε ένα καυτό Big Bang που προκύπτει από μια πληθωριστική κατάσταση, όχι μια ιδιαιτερότητα-ιδιομορφία

Οι πληροφορίες που υπάρχουν στο παρατηρούμενο Σύμπαν μας, που μπορούμε να έχουμε πρόσβαση και να μετρήσουμε, αντιστοιχούν μόνο στην τελική εποχή ~ 10^-33 δευτερόλεπτα του πληθωρισμού, και ό, τι ήρθε μετά. Αν θέλετε να θέσετε το ερώτημα για το πόσο διάρκεσε ο πληθωρισμός, απλώς δεν έχουμε ιδέα. Θα ήταν τουλάχιστον λίγο περισσότερο από  10 –33 δευτερόλεπτα, αλλά αν διήρκεσε λίγο περισσότερο, πολύ περισσότερο, ή για αόριστο χρονικό διάστημα δεν είναι μόνο άγνωστο, αλλά μη κατορθωτό να το γνωρίζουμε. Inflation_final

Η κοσμική ιστορία ολόκληρου του γνωστού Σύμπαντος δείχνει που οφείλουμε την προέλευση όλης της ύλης μέσα σε αυτήν και όλο το φως, τελικά, μέχρι το τέλος του πληθωρισμού και την αρχή του καυτού Big Bang. Από τότε, είχαμε 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια κοσμικής εξέλιξης, μια εικόνα επιβεβαιωμένη από πολλαπλές πηγές.

Τι συνέβη λοιπόν για να ξεκινήσει ο πληθωρισμός; Υπάρχει τεράστια έρευνα και εικασίες γι ‘αυτό, αλλά κανείς δεν ξέρει. Δεν υπάρχουν στοιχεία που να μπορούμε να επισημάνουμε. δεν μπορούμε να κάνουμε παρατηρήσεις. δεν μπορούμε να εκτελέσουμε πειράματα. Μερικοί άνθρωποι (λανθασμένα) λένε κάτι παρόμοιο με την ακόλουθη ιστορία:

Λοιπόν, είχαμε μια ιδιομορφία Big Bang που ήταν αιτία να δημιουργηθεί το καυτό, πυκνό, επεκτεινόμενο Σύμπαν πριν μάθουμε κάτι για τον πληθωρισμό και ο πληθωρισμός αντιπροσωπεύει μόνο ένα ενδιάμεσο βήμα. Ως εκ τούτου, αυτό γίνεται με την εξής σειρά: ιδιομορφία (μοναδικότητα), πληθωρισμός, και στη συνέχεια το καυτό Big Bang.

Υπάρχουν ακόμη και κάποια πολύ διάσημα γραφικά που φτιάχτηκαν από κορυφαίους κοσμολόγους που απεικονίζουν αυτήν την εικόνα. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι αυτή η εικόνα είναι σωστή. History_of_the_Universe

Απεικόνιση των διακυμάνσεων της πυκνότητας και της βαρύτητας που προκύπτουν από το τέλος του πληθωρισμού. Σημειώστε ότι η υπόθεση ότι υπάρχει μια ιδιαιτερότητα πριν από τον πληθωρισμό δεν είναι απαραίτητα έγκυρη.

Στην πραγματικότητα, υπάρχουν πολύ καλοί λόγοι να πιστεύουμε ότι αυτό δεν είναι σωστό!

Ένα πράγμα που μπορούμε να καταδείξουμε μαθηματικά, στην πραγματικότητα, είναι ότι είναι αδύνατο μια πληθωριστική κατάσταση να προκύψει από μια ιδιομορφία. Εδώ είναι το γιατί: ο χώρος επεκτείνεται με εκθετικό ρυθμό κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Σκεφτείτε πώς ένα εκθετικό συμβάν δουλεύει: μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, το Σύμπαν διπλασιάζεται σε μέγεθος. Περιμένετε δύο φορές, και αυτό διπλασιάζεται δύο φορές, καθιστώντας το τετραπλάσιο. Περιμένετε τρεις φορές, διπλασιάζεται τρεις φορές, καθιστώντας το 8 φορές μεγαλύτερο. Και αν περιμένετε 10 ή 100 φορές, αυτοί οι διπλασιασμοί καθιστούν το Σύμπαν 2^10 ή 2^100 φορές μεγαλύτερο.

Αυτό σημαίνει ότι αν πάμε πίσω στο χρόνο με το ίδιο ποσό ή δύο φορές ή τρεις φορές ή 10 ή 100 φορές, το Σύμπαν θα ήταν μικρότερο, αλλά ποτέ δεν θα φθάσει το μέγεθος 0. Αντίστοιχα, θα ήταν μισό, ένα τέταρτο, ένα όγδοο, 2^ -10 , ή 2^ -100 φορές το αρχικό του μέγεθος. Αλλά δεν έχει σημασία πόσο μακριά μπορείτε να πάτε πίσω, ποτέ δεν επιτυγχάνετε ιδιομορφία.

startswithabang

Οι μπλε και κόκκινες γραμμές αντιπροσωπεύουν ένα “παραδοσιακό” σενάριο Μεγάλης Έκρηξης, όπου όλα αρχίζουν στο χρόνο t = 0, συμπεριλαμβανομένου και του ίδιου του χωροχρόνου. Αλλά σε ένα πληθωριστικό σενάριο (κίτρινο), δεν φτάνουμε ποτέ σε μια ιδιομορφία, όπου ο χώρος να πηγαίνει σε μια μοναδική κατάσταση. Αντίθετα, μπορεί μόνο να γίνει αυθαίρετα μικρό στο παρελθόν, ενώ ο χρόνος συνεχίζει να πηγαίνει προς τα πίσω για πάντα. Η κατάσταση χωρίς όρια κατά Hawking-Hartle προκαλεί τη μακροζωία αυτής της κατάστασης, όπως και το θεώρημα Borde-Guth-Vilenkin, αλλά κανένας δεν είναι σίγουρος.

Υπάρχει ένα θεώρημα, διάσημο μεταξύ των κοσμολόγων, που δείχνει ότι μια πληθωριστική κατάσταση είναι χρονικά κατά το παρελθόν ατελής. Αυτό σημαίνει σαφώς ότι αν έχετε σωματίδια που υπάρχουν σε ένα πληθωριστικό Σύμπαν, θα συναντηθούν τελικά αν πάτε πίσω στο χρόνο. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι πρέπει να υπήρχε μια ιδιομορφία, αλλά ότι ο πληθωρισμός δεν περιγράφει όλα όσα συνέβησαν στην ιστορία του Σύμπαντος, όπως η γέννησή του. Γνωρίζουμε επίσης, για παράδειγμα, ότι ο πληθωρισμός δεν μπορεί να προκύψει από μια μοναδική κατάσταση, επειδή μια πληθωριστική περιοχή πρέπει πάντα να ξεκινά από ένα πεπερασμένο μέγεθος. inflation-birth

Διακυμάνσεις στον ίδιο τον χωροχρόνο στην κβαντική κλίμακα τεντώνονται κατά μήκος του Σύμπαντος κατά τον πληθωρισμό, προκαλώντας ατέλειες τόσο στα κύματα πυκνότητας όσο και στα βαρυτικά κύματα. Το εάν ο πληθωρισμός προέκυψε από ενδεχόμενη ιδιομορφία ή όχι είναι άγνωστο.

Κάθε φορά που βλέπετε ένα διάγραμμα, ένα άρθρο ή μια ιστορία που μιλάει για την “ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης” ή κάποιο είδος ιδιομορφίας / Μεγάλης Έκρηξης που υπάρχει πριν από τον πληθωρισμό, να γνωρίζετε ότι έχετε να αντιμετωπίσετε μια ξεπερασμένη μέθοδο σκέψης. Η ιδέα μιας ιδιομορφίας της Μεγάλης Έκρηξης βγήκε από το παράθυρο μόλις συνειδητοποιήσαμε ότι είχαμε μια διαφορετική κατάσταση – αυτή του κοσμικού πληθωρισμού – που προηγήθηκε και καθόρισε την πρόωρη, καυτή και πυκνή κατάσταση του Big Bang. Μπορεί να υπήρχε μια ιδιομορφία στην αρχή του χώρου και του χρόνου, με τον πληθωρισμό να προκύπτει μετά από αυτό, αλλά δεν υπάρχει καμία εγγύηση. Στην επιστήμη, υπάρχουν τα πράγματα που μπορούμε να δοκιμάσουμε, να μετρήσουμε, να προβλέψουμε και να επιβεβαιώσουμε ή να διαψεύσουμε, όπως μία πληθωριστική κατάσταση που δημιουργεί ένα καυτό Big Bang. Οτιδήποτε άλλο, δεν είναι τίποτα περισσότερο από σπέκουλα.

Πηγή  

 

 

.

About the author

Δ.Μ.

Share