Η νέα θεωρία του κόσμου υπερβαίνει τη Μεγάλη Έκρηξη

Από την ιστοσελίδα της WhasingtonPost, 13 Μαίου 2002

Επί μισό αιώνα, οι περισσότεροι αστροφυσικοί έχουν αποδεχθεί την έννοια ότι ο κόσμος μας άρχισε με μία Μεγάλη Έκρηξη, ένα φανταστικά ισχυρό γεγονός στο οποίο όλη η ύλη και η ενέργεια του σημερινού σύμπαντος έχει διασταλεί από ένα μικροσκοπικό τμήμα μέσα σε ένα κλάσμα του ενός δευτερολέπτου.

Στους τελευταίους μήνες όμως, δύο διαπρεπείς κοσμολόγοι έχουν προτείνει ότι η Έκρηξη, που εμφανίστηκε περίπου 15 δισεκατομμύρια έτη πριν, δεν ήταν μια μοναδική αρχή αλλά μέρος ενός ατέλειωτα επαναλαμβανόμενου κύκλου Εκρήξεων και διαστολών. Σύμφωνα με αυτήν την άποψη, δημιουργούνται σύμπαντα τμηματικά  και διασκορπίζονται έπειτα στο διάστημα, το ένα μετά από άλλο, με κάθε κύκλο να διαρκεί τρισεκατομμύρια έτη.

Η ιδέα ενός κυκλικού σύμπαντος δεν είναι νέα. Αυτό που διακρίνει αυτή την πρόταση από τους Paul Steinhardt του Πανεπιστημίου Princeton  και Neil Turok του Πανεπιστημίου του Καίμπριτζ είναι η εμπιστοσύνη τους στη θεωρία υπερχορδών, ένα νέο πεδίο της θεωρητικής φυσικής που θέτει ως αίτημα μια πολυδιάστατη υποδομή του χώρου και της ύλης.

Στο μοντέλο Steinhardt και Turok, ο ορατός κόσμος υπάρχει μέσα σε μια τρισδιάστατη μεμβράνη, ή "brane," που μπορεί να την φανταστεί κάποιος πολύ απλά ως ένα ελαστικό λαστιχένιο φύλλο. Μια άλλη μεμβράνη, που χωρίζεται από τις δικές μας με μια μικροσκοπική απόσταση, περιέχει ένα σύμπαν "σκοτεινής ύλης". Η Έκρηξη που δημιουργεί την ύλη και την ακτινοβολία σε κάθε νέο κύκλο προέρχεται από την περιοδική σύγκρουση αυτών των δύο μεμβρανών (branes).

"Η δικιά μας Έκρηξη θα ήταν ακριβώς η τελευταία σε μια ακολουθία Εκρήξεων, ψύξεων και νέων Εκρήξεων που θα μπορούσε να έχει συνεχιστεί. .. ίσως ένα άπειρο χρόνος κατά το παρελθόν ", λέει ο Steinhardt.

Ένα κυκλικό Σύμπαν έχει μια ορισμένη συναισθηματική φόρτιση. "Ξέρουμε ότι τα αστέρια θα διαρκέσουν μόνο άλλα 100 τρισεκατομμύρια έτη," λέει ο Michael Turner, ένας κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου. "Σε ένα Σύμπαν που απλώς έρχεται και φεύγει, αυτό με τη νέα θεωρία, υπάρχει μια αναγέννηση."

Αλλά τι θα μπορούσε να είναι σωστό; Ο κοσμολόγος είπε ότι θα χρειασθεί αρκετό χρόνο και εργασία για να ερευνήσει την πρόταση των Steinhardt και Turok και για να δει πώς δουλεύει ενάντια στην καλά ανεπτυγμένη πληθωριστική θεωρία, η οποία εξηγεί τη συμπεριφορά του Σύμπαντος στις πρώτες στιγμές μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

"Μπορεί να επιλυθεί στο τέλος," είπε ο φημισμένος Alan Guth του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Μασαχουσέτης (MIT), ένας υπερασπιστής του πληθωριστικού μοντέλου. "Αλλά σκέφτομαι ότι είναι πιθανότερο να γίνει ένα πρώτο βήμα. .. για να προσπαθήσει να καταλάβει πώς να αναπτύξει μια κοσμολογία βασισμένη στις μεμβράνες και τη θεωρία χορδών".

Δεν υπάρχει καμία σοβαρή διαφωνία μεταξύ των φυσικών σε αυτό που συνέβη περίπου ένα δευτερόλεπτο μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν διαμορφώθηκαν οι πυρήνες των στοιχείων όπως το ήλιο και το δευτέριο -- καθώς επίσης και η "Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου" που είναι ανιχνεύσιμη στο σημερινό κόσμο --, είπε ο Martin Rees, ένας καθηγητής της Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ. Όλη η συζήτηση αφορά γεγονότα κατά τη διάρκεια της εποχής, που δημιουργήθηκαν οι γνωστοί, ελέγξιμοι νόμοι της φυσικής.

Η πληθωριστική θεωρία υποστηρίζει ότι το σύμπαν άρχισε με, ίσως, ένα μικροσκοπικό γραμμάριο ύλης πολύ μεγάλης πυκνότητας. Μια διαδικασία οδηγώντας σε μια βαρυτική "άπωση" προκάλεσε ξαφνική, κολοσσιαία διαστολή του μικρού και πυκνού τμήματος, τροφοδοτώντας τη δημιουργία νέας ύλης και ενέργειας και παράγοντας ολόκληρο τον ορατό (και αόρατο) κόσμο.

Η πληθωριστική θεωρία μπορεί να εξηγήσει πολλές από τις παρατηρηθείσες ιδιότητες του σύμπαντος, όπως η, μεγάλης κλίμακας, ομοιομορφία της, η χωρική λειότητά της και ο τρόπος που κατανέμονται οι γαλαξίες. Αλλά μερικά έτη πριν, οι αστρονόμοι φάνηκαν έκπληκτοι όταν ανακάλυψαν ότι ο κόσμος διαστέλεται με ένα επιταχυνόμενο ρυθμό, παρά την επιβράδυνση όπως είχε προβλέψει αυτό το μοντέλο. Για να εξηγήσουν αυτή την επιτάχυνση, έχουν αναγκαστεί να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι ο κόσμος περιέχει όχι μόνο τη συνηθισμένη ύλη και τη σκοτεινή (αόρατη) ύλη, αλλά ένα συστατικό που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια και που προξενεί την διαστολή.

Για τον Steinhardt, το πληθωριστικό μοντέλο γινόταν πάρα πολύ περίπλοκο. Αυτός και ο Turok αποφάσισαν να ψάξουν μια εναλλακτική λύση.

Στη νέα θεωρία, "οι τρεις χωρικές διαστάσεις μας είναι πραγματικά όπως μια επιφάνεια που ενσωματώνεται σε ένα χώρο μιας πρόσθετης διάστασης," είπε. Όπως τα προγραμματιστικά λάθη (bugs) που βρίσκονται σε ένα φύλλο του Excel, οι γαλαξίες του σύμπαντος μας και το φως τους είναι περιορισμένα σε αυτήν την επιφάνεια, ή τη μεμβράνη -brane. Δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε το παράλληλο brane, αλλά αυτό ασκεί μια βαρυτική επίδραση.

Όπως το πληθωριστικό μοντέλο, η θεωρία Steinhardt και Turok υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει την διαστολή του κόσμου. Προβλέπει ότι αυτή η διαστολή θα συνεχιστεί (όπως το τέντωμα ενός λαστιχένιου φύλλου) για τρισεκατομμύρια έτη, έως ότου όλα χωριστούν τόσο πολύ που το διάστημα θα έχει γίνει όπως ένα αρχαϊκό κενό. Κατόπιν η ισορροπία των δυνάμεων στη μεμβράνη θα αλλάξει, η διαστολή θα σταματήσει και οι δύο branes θα πλησιάσουν η μία την άλλη. "Οι δύο μεμβράνες, branes, όταν ενωθούν σημαίνει ότι η πρόσθετη διάσταση αρχίζει να εξαφανίζεται," λέει ο Steinhardt.

Όταν οι μεμβράνες συγκρουστούν, τότε θα αναπηδήσουν για να χωριστούν πάλι. Αλλά η σύγκρουση αυξάνει τις θερμοκρασίες και τις πυκνότητες αρκετά για να δημιουργηθεί η νέα ύλη και ακτινοβολία, αρχίζοντας έναν νέο κύκλο. Η θεωρία αυτή δεν θέτει ως αίτημα τις άπειρες θερμοκρασίες και τις πυκνότητες που υπονοούνται από το πληθωριστικό μοντέλο.

"Εφ' όσον η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή κατά την οποία τα πράγματα τήκονται στα στοιχειώδη συστατικά τους -- τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια -- αυτό είναι αρκετό για να αποκαταστήσουμε τις συνθήκες που χρειαζόμαστε για να εξηγήσουμε την ιστορία του κόσμου," εξηγεί ο Steinhardt.

Άλλοι κοσμολόγοι είπαν ότι η ιδέα είναι προκαταρκτική αλλά πολύ σκοτεινή, ειδικά επειδή είναι βασισμένη στη θεωρία χορδών, η οποία έχει δανείσει νέες ιδέες στη φυσική σωματιδίων. "Έχει να διανύσει πολύ δρόμο προτού να μπορέσει πραγματικά να θεωρηθεί ως πλήρης κοσμολογία," λέει ο Brian Greene, ένας καθηγητής της φυσικής και των μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια.

Παραδείγματος χάριν, η θεωρία χορδών απαιτεί την ύπαρξη 10 ή 11 διαστάσεων. "Πολλοί από εμάς έχουν αισθανθεί πως το ζήτημα που βρίσκονται οι άλλες διαστάσεις, και γιατί δεν τις βλέπουμε, θα ήταν μέρος της κοσμολογίας σύμφωνα με τη θεωρία χορδών," συνεχίζει ο Greene.

"Νομίζω ότι είναι μια πραγματικά έξυπνη ιδέα," λέει ο Charles Bennett του Κέντρου Διαστημικής Πτήσης Goddard της NASA, που είναι υπεύθυνος για μια αποστολή που παρατηρεί την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου από το διάστημα. "Εδώ έχουμε το παράδειγμα μιας θεωρίας που είναι βασισμένη στις προόδους στις πολύ μικρές κλίμακες και εφαρμόζεται στο σύμπαν στις πολύ μεγάλες κλίμακες."

Ένας πιθανός τρόπος για να εξεταστούν οι εναλλακτικές λύσεις θα ήταν να ψάξουμε για τα βαρυτικά κύματα από το πιό αρχικό Σύμπαν. Η πληθωριστική θεωρία προβλέπει ότι τέτοια κύματα υπάρχουν, ενώ η θεωρία μεμβρανών προβλέπει ότι δεν υπάρχουν. "Θα χρειαζόμαστε έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων επόμενης γενιάς για να το κάνουμε αυτό, και δεν ξέρουμε πώς να τους χτίσουμε αυτούς αμέσως," λέει ο Bennett.