Είναι το Σύμπαν μοναδικό ή υπάρχουν πολλά σύμπαντα;

Συχνές ερωτήσεις Ιούνιος 2001

Ο Andrei Linde στο Stanford έχει φέρει στο προσκήνιο το κοσμολογικό μοντέλο των Πολυσυμπάντων το οποίο αποκαλεί "αυτοαναπαραγόμενο πληθωριστικό Σύμπαν".
Η θεωρία βασίζεται στο μοντέλο που ανέπτυξε ο Alan Guth και αποκαλείται πληθωριστικό μοντέλο. Αυτό περιλαμβάνει την ύπαρξη πολλαπλών Συμπάντων μέσα σε κάποιο είδος χωροχρονικού αφρού. Κάθε Σύμπαν υπάρχει σε ένα κλειστό όγκο χώρου και χρόνου. Το μοντέλο του Linde, βασισμένο σε προχωρημένες έννοιες της κβαντομηχανικής δεν επιδέχεται μια εύκολη αναπαράσταση στο μυαλό μας. Τελείως απλοποιημένο, δέχεται ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις στην πληθωριστική περίοδο επέκτασης του Σύμπαντος, είχαν ένα κυματικό χαρακτήρα. Ο Linde θεωρεί ότι αυτά τα κύματα μπορούν να "παγώσουν" το ένα επί του άλλου μεγεθύνοντας έτσι το αποτέλεσμά τους.

Τα στοιβαγμένα κατ' αυτόν τον τρόπο κβαντικά κύματα μπορούν με τη σειρά τους να δημιουργήσουν τόσο έντονα σπασίματα στα βαθμωτά πεδία- τα πεδία που η κβάντωσή τους οδηγεί στην εμφάνιση των διαφόρων στοιχειωδών σωματιδίων - ώστε αυτά υπερβαίνουν μια κρίσιμη μάζα και αρχίζουν να δημιουργούν νέες πληθωριστικές περιοχές.
Το πολλαπλό Σύμπαν ο Linde το βλέπει σαν ένα αυξανόμενο fractal, που δημιουργεί πληθωριστικές περιοχές, και καθεμιά τέτοια περιοχή, επεκτείνεται και ψύχεται σ' ένα νέο Σύμπαν.

Αν ο Linde έχει δίκιο, το Σύμπαν μας είναι μόνο ένα από τα πολλά που αναπτύχθηκαν. Η θεωρία αυτή αντιμάχεται καθαρά δύο αρχαίες ιδέες γύρω από το Σύμπαν: Εκείνη που πρεσβεύει ότι το Σύμπαν είχε μια συγκεκριμένη αρχή, και εκείνη που πρεσβεύει ότι το Σύμπαν υπήρχε πάντα. Στην εικόνα του Linde, κάθε ιδιαίτερο μέρος του Πολυσύμπαντος, περιλαμβανομένου του δικού μας μέρους, ξεκίνησε από μια ανωμαλία κάπου στο παρελθόν, αλλά αυτή η ανωμαλία ήταν μόνο μια από κάποια ατέλειωτη σειρά που υπήρξαν πριν από τη συγκεκριμένη και θα συνεχίσουν να ξεφυτρώνουν και μετά από αυτήν.

Πώς ξεκίνησε το σύμπαν;

Οι νόμοι της φυσικής γενικά περιγράφουν το πώς εξελίσσεται ένα φυσικό σύστημα, δεδομένης της αρχικής του κατάστασης. Μια θεωρία όμως που θα εξηγεί την αρχή του σύμπαντος θα πρέπει να περιλαμβάνει ένα εντελώς νέο είδος νόμου. Ο νόμος αυτός θα πρέπει να μπορεί να εξηγεί και την ίδια την αρχική κατάσταση. Εάν παρομοιάσουμε τους νόμους με οδικούς χάρτες που σου λένε πώς να φτάσεις απ' το σημείο Α στο Β, οι νέοι νόμοι θα πρέπει να δικαιολογούν και γιατί ξεκινάς αρχικά απ' το Α. Ως τώρα έχουν γίνει πολλές ενδιαφέρουσες προτάσεις προς αυτή την κατεύθυνση.

Το 1983, ο James B. Hartle του πανεπιστημίου της California στη Santa Barbara και ο Stephen Hawking του πανεπιστημίου του Cambridge χρησιμοποίησαν την κβαντομηχανική για να περιγράψουν το σύμπαν στο σύνολο του, κατασκευάζοντας μια κοσμική κυματοσυνάρτηση ανάλογη με την κυματοσυνάρτηση για τα άτομα και τα στοιχειώδη σωμάτια. Η κυματοσυνάρτηση καθορίζει τις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, η συνήθης διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος παύει να υφίσταται στο πολύ πρώιμο σύμπαν, καθώς η διεύθυνση του χρόνου αποκτά τις ιδιότητες μίας χωρικής διεύθυνσης. Όπως ακριβώς δεν υπάρχει κάποιο όριο στο χώρο, έτσι δεν υπάρχει και κάποια αρχή στο χρόνο.

Κάνοντας μια εναλλακτική υπόθεση, ο Alexander Vilenkin του πανεπιστημίου Tufts πρότεινε την ύπαρξη κάποιου είδους φαινομένου σήραγγος στο οποίο μπορεί να υπολογιστεί η σχετική πιθανότητα για ένα σύμπαν με μηδενικό μέγεθος να μετατραπεί από μόνο του σε ένα πεπερασμένου μεγέθους σύμπαν.

Το 1998, ο Hawking μαζί με τον Neil Turok, επίσης στο Cambridge, πρότειναν την αυθόρμητη δημιουργία μιας φυσαλίδας, ίδιας με αυτή του ανοικτού πληθωρισμού, απ' το τίποτα. Η νέα αυτή εκδοχή του ανοικτού πληθωρισμού παρακάμπτει την ανάγκη για την εισαγωγή της μετάπτωσης του ψευδοκενού. Ωστόσο, ο Vilenkin και ο Andrei Linde του πανεπιστημίου του Stanford αμφισβήτησαν την εγκυρότητα των υποθέσεων που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό. Ο Linde προσπάθησε να παρακάμψει το πρόβλημα των αρχικών συνθηκών αξιώνοντας ότι ο πληθωρισμός είναι μία διαδικασία χωρίς αρχή. Στην κλασική εικόνα, ο πληθωρισμός τερματίζεται καθώς το πεδίο inflaton φτάνει στο ελάχιστο του δυναμικού του. Λόγω όμως των κβαντικών διακυμάνσεων, το πεδίο μπορεί να κινηθεί και προς υψηλότερες ενέργειες.

Έτσι, υπάρχουν πάντα περιοχές στο σύμπαν - στην πραγματικότητα αυτές αποτελούντο μεγαλύτερο μέρος του όγκου του - που βρίσκονται στην πληθωριστική φάση. Αυτές περικλείουν θύλακες στους οποίους ο πληθωρισμός έχει σταματήσει και ένα σταθερό σύμπαν έχει αναπτυχθεί. Σε κάθε θύλακα, οι θεμελιώδεις φυσικές σταθερές έχουν ένα διαφορετικό σύνολο τιμών. Εμείς ζούμε σε εκείνον του οποίου οι τιμές των σταθερών επιτρέπουν την ύπαρξη μας. Το υπόλοιπο σύμπαν υφίστατο και θα υφίσταται πληθωρισμό για πάντα. Αλλά ο Vilenkin μαζί με τον Arvind Borde, επίσης στο Tufts, υποστήριξαν ότι αυτή η επέκταση του πληθωρισμού δεν περιγραφεί πλήρως την προέλευση του σύμπαντος. Αν και ο πληθωρισμός μπορεί να είναι αιώνιος καθώς ο χρόνος κυλά προς τα εμπρός, τελικά απαιτείται μία αρχή.

Οι J. Richard Gott III και Li-Xin Li του πανεπιστημίου του Princeton έκαναν πριν λίγα χρόνια την πρόταση ότι το σύμπαν είναι παγιδευμένο σε ένα συνεχή κύκλο, σαν κάποιο ταξιδιώτη στο χρόνο που γυρνά στο παρελθόν για να γίνει γονιός του εαυτού του. Για ένα τέτοιο πρόσωπο, δεν υπάρχει ανάγκη εξήγησης της προέλευσης του. Στην υπόθεση των Gott και Li, η φυσαλίδα μας διέφυγε απ' αυτό το κυκλικό "πρωτοσύμπαν" και έτσι δε συμμετέχει στον αέναο κύκλο, αλλά αντιθέτως συνεχώς διαστέλλεται και ψύχεται.

Δυστυχώς, μπορεί να είναι πολύ δύσκολο (ίσως όμως όχι αδύνατο) για τους αστρονόμους να ελέγξουν τις ιδέες αυτές. Ο πληθωρισμός εξαλείφει σχεδόν όλα τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά της κατάστασης που προηγήθηκε αυτού. Πολλοί φυσικοί υποψιάζονται ότι για μία πληρέστερη περιγραφή του προπληθωρισπκού σύμπαντος - και μία εξήγηση για την προέλευση των ίδιων των φυσικών νόμων - θα πρέπει να αναμένουμε μία πραγματικά θεμελιώδη φυσική θεωρία, ίσως τη θεωρία των χορδών.

Των Mortin Bucher - David Spergel στο Scientific American