Το σύμπαν που επιταχύνεται πιθανόν να καταρρεύσει σε 10-20 δισεκατομμύρια έτη

Από το Πανεπιστήμιο Stanford, Οκτώβριος 2002

Η πρόσφατη ανακάλυψη πως το Σύμπαν επεκτείνεται με ένα συνεχώς αυξανόμενο ποσοστό, έχει οδηγήσει πολλούς αστρονόμους να προβλέψουν ένα σκοτεινό και μοναχικό μέλλον για το Γαλαξία μας. Σύμφωνα με μερικές προβλέψεις το ταχέως επιταχυνόμενο Σύμπαν θα προκαλέσει την απομάκρυνση όλων των γαλαξιών μεταξύ τους έως ότου δεν θα είναι πλέον ορατοί. Σε αυτό το ευρέως αποδεκτό σενάριο, ο Γαλαξίας μας θα γίνει ένα απομονωμένο νησί περιφερόμενος σε μια θάλασσα συνολικού σκοτεινού διαστήματος 150 δισεκατομμυρίων ετών από τώρα.

Αλλά δύο νέες μελέτες από τους κοσμολόγους του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ υποδεικνύουν ότι μπορεί να είναι καιρός να ξανασκεφτούμε αυτή τη δημοφιλή άποψη ενός "σύμπαντος δραπέτη". Αντί να επεκτείνεται εκθετικά, το Σύμπαν μας μπορεί να βρεθεί σε κίνδυνο σύνθλιψης "μόνο" σε 10 έως 20 δισεκατομμύρια έτη, σύμφωνα με την ομάδα του Στάνφορντ.

"Η καθιερωμένη άποψη προς το παρόν είναι ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιτάχυνση", λέει ο καθηγητής φυσικής Andrei Linde, "έτσι θα είμαστε έκπληκτοι να βρούμε ότι μια κατάρρευση θα μπορούσε να συμβεί μέσα σε ένα τέτοιο σύντομο χρονικό διάστημα".

Ο Linde και η σύζυγός του, Renata Kallosh - που είναι επίσης μια καθηγήτρια της φυσικής στο Στάνφορντ - έχουν δύο μελέτες συναδέλφων τους που αυξάνουν τη δυνατότητα μιας κοσμικής "μεγάλης σύνθλιψης".

"Κάναμε ότι μπορούσαμε, με τις έρευνες μας, για να δώσουμε μια καλή θεωρία, που εξηγεί την επιτάχυνση του Σύμπαντος, αλλά η δική μας μελέτη είναι μόνο ένα μοντέλο", σημειώνει ο Linde. "Είναι μόνο ένα μέρος της απάντησης."

Εάν το μοντέλο Linde-Kallosh είναι σωστό, τότε το Σύμπαν, που σήμερα εμφανίζεται να επιταχύνεται, θα αρχίσει να επιβραδύνεται και θα περιοριστεί. "Το Σύμπαν μπορεί να είναι καταδικασμένο να καταρρεύσει και να εξαφανιστεί", λέει ο Linde. "Οτιδήποτε βλέπουμε τώρα, και σε μια πολύ μεγαλύτερη απόσταση που δεν μπορούμε να δούμε, θα καταρρεύσει σε ένα σημείο μικρότερο από ένα πρωτόνιο. Τοπικά, θα είναι το ίδιο σαν να ήσαστε μέσα σε μια μαύρη οπή. Θα πάψετε απλώς να υπάρχετε".

Ο Einstein "διαπράττει σφάλμα"

Η μοίρα του Σύμπαντος έχει συζητηθεί με θέρμη για αρκετές δεκαετίες.

Στις αρχές του 20ού αιώνα, ο Αλβέρτος Einstein, μαζί με τους περισσότερους φυσικούς, εθεώρησε ότι ο Κόσμος ήταν στατικός - ακόμα κι αν οι εξισώσεις που ανέπτυξε για τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητάς του το 1917 πρότειναν ότι είτε το ίδιο διάστημα είτε συστελλόταν είτε διαστελλόταν. Για να εξασφαλίσει ότι η νέα θεωρία του ήταν συνεπής προς τη φύση, ο Einstein εφηύρε τη "κοσμολογική σταθερά" λ: έναν αυθαίρετο μαθηματικό όρο που παρενέβαλε στις εξισώσεις του για να εγγυηθεί έναν στατικό Κόσμο - τουλάχιστον στα χαρτιά.

Για τον Einstein, η κοσμολογική σταθερά λ μπορεί να έχει αντιπροσωπεύσει κάποια αόρατη ενέργεια, που υπάρχει στο κενό του άδειου διαστήματος - μια δύναμη αρκετά ισχυρή ώστε να αντιτίθεται στη βαρυτική δύναμη που ασκείται από την ύλη. Χωρίς αυτήν την μυστήρια ενέργεια του κενού που αντιτίθεται στη βαρύτητα, το Σύμπαν τελικά θα συντριβόταν μέσα στον ίδιο τον εαυτό του, σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Αλλά οι παρατηρήσεις από τον αστρονόμο Edwin Hubble και άλλους στη δεκαετία του '20 απέδειξαν ότι οι απόμακροι γαλαξίες δεν είναι στάσιμοι αλλά, στην πραγματικότητα, απομακρύνονται μεταξύ τους. Δεδομένου ότι το Σύμπαν επεκτεινόταν, ο Einstein δεν χρειαζόταν πλέον έναν παράγοντα εναντίον στη βαρύτητα στις εξισώσεις του, έτσι απέρριψε την κοσμολογική σταθερά σαν άσχετη.

"Στην αρχή ο Einstein εισήγαγε την κοσμολογική σταθερά λ στις εξισώσεις του, όμως στο τέλος την χαρακτήρισε σαν το μεγαλύτερο σφάλμα της ζωής του", παρατήρησε ο Linde. "Αλλά πρόσφατα άκουσα ότι, προφανώς, συμπαθούσε ακόμα την ιδέα αυτή και την συζητούσε για πολλά έτη αργότερα - και συνέχισε να γράφει τις εξισώσεις του με την κοσμολογική σταθερά λ μέσα".

Σκοτεινή ενέργεια του κενού

Μετά από εκείνη την περίοδο βρισκόμαστε στο 1998, όταν δύο ανεξάρτητες ομάδες αστρονόμων ανακάλυψαν ότι όχι μόνο διαστέλλεται το Σύμπαν, αλλά το κάνει με ένα ολοένα γρηγορότερο ρυθμό. Τα συμπεράσματά τους βασίστηκαν στις παρατηρήσεις των σουπερνοβών - τα αστέρια που εκπέμπουν ένα εξαιρετικά λαμπερό φως. Μια σουπερνόβα είναι ένα σπάνιο γεγονός μέσα στο Σύμπαν, αλλά τα νέα τηλεσκόπια που εξοπλίστηκαν με περίπλοκους ηλεκτρονικούς αισθητήρες επέτρεψαν στις ερευνητικές ομάδες για να ανιχνεύσουν δωδεκάδες αστρικών εκρήξεων στον ουρανό. Τι είδαν έκπληκτος τον κόσμο της αστρονομίας: Οι σουπερνόβες, αποδείχθηκε, στην πραγματικότητα επιταχύνονταν με ένα ρυθμό που ξεπερνούσε την προβλεφθείσα βαρυτική έλξη της ύλης.

Ποια όμως δύναμη θα μπορούσε να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να υπερνικήσει τη βαρύτητα και να προκαλέσει την επιτάχυνση της διαστολής στο Σύμπαν; Ίσως ο Einstein να ήταν σωστός - ίσως υπάρχει κάποιο είδος ενέργειας του κενού στο διάστημα. Ο Einstein την ονόμασε κοσμολογική σταθερά, και 80 έτη αργότερα, οι αστρονόμοι θα έδιναν σε αυτή την αόρατη δύναμη ένα νέο όνομα - σκοτεινή ενέργεια.

"Τα πειράματα των σουπερνοβών τέσσερα έτη πριν επιβεβαίωσαν μια απλή εικόνα του Κόσμου όπου περίπου το 30 τοις εκατό από αυτόν, γίνεται από την γνωστή ύλη και το 70 τοις εκατό γίνεται από τη σκοτεινή ενέργεια - οποιοσδήποτε μορφής κι αν είναι", παρατηρεί ο Linde.

Mια έννοια που είχε ο Einstein μέσα σε μια νύχτα απορρίψει, θεωρήθηκε τώρα σαν τη κυρίαρχη δύναμη στο Σύμπαν. "Η κοσμολογική σταθερά παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής", επισημαίνει ο Linde.

Αρνητική ενέργεια

Οι τρέχουσες προβλέψεις πως η σκοτεινή ενέργεια θα συνεχίσει να υπερισχύει της βαρύτητας και να παράγει έναν Κόσμο φυγά είναι βασισμένες στην υπόθεση ότι η συνολική πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας στον Κόσμο είναι μεγαλύτερη από μηδέν και θα παραμείνει τόση για πάντα.

Αυτό φαίνεται προφανές με την πρώτη ματιά, δεδομένου ότι η λογική υπαγορεύει ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας πρέπει να είναι ένας θετικός αριθμός.

Αλλά μετά από όλα αυτά, πώς θα μπορούσε το Σύμπαν να γεμίσει με την "αρνητική ενέργεια";

Αλλά στον παράξενο κόσμο της κβαντικής φυσικής και της θεωρίας στοιχειωδών σωματιδίων, η καθημερινή λογική δεν εφαρμόζεται πάντα.

"Κατά τη διάρκεια του περασμένου χρόνου, οι φυσικοί αναγνώρισαν ότι είναι πολύ δύσκολο να γίνει κατανοητή η προέλευση της θετικής σκοτεινής ενέργειας στις πιό προχωρημένες εκδόσεις των θεωριών των στοιχειωδών σωματιδίων  - όπως είναι η θεωρία των χορδών και η θεωρία της υπερβαρύτητας", λέει ο Linde.

"Έχουμε βρει ότι μερικές από τις καλύτερες προσπάθειες στην περιγραφή της σκοτεινής ενέργειας προβλέπουν ότι θα γίνει βαθμιαία αρνητική, η οποία θα προξενήσει μια αστάθεια στο Σύμπαν, και τότε θα καταρρεύσει", προσθέτει. "Οι άνθρωποι που μελέτησαν τη γενική σχετικότητα ήταν πριν από πολλά χρόνια ενήμεροι για αυτό, αλλά αυτό το θέμα ήταν μια ακαδημαϊκή συζήτηση. Ήταν παράδοξο να σκεφτούν για την αρνητική ενέργεια του κενού σοβαρά. Τώρα έχουμε μερικούς λόγους να το πιστέψουμε".

Το μοντέλο των Linde-Kallosh παρήγαγε ένα άλλο εκπληκτικό αποτέλεσμα: Το Σύμπαν θα καταρρεύσει σε 10 έως 20 δισεκατομμύρια έτη - ένα χρονικό πλαίσιο συγκρίσιμο με την ηλικία του Κόσμου, ο οποίος υπολογίζεται πως είναι περίπου 14 δισεκατομμυρίων ετών.

"Αυτό ήταν πραγματικά παράξενο", υπενθύμισε ο Linde. "Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να γίνει αρνητική και ο Κόσμος θα μπορούσε να καταρρεύσει κάποτε, αλλά στο πολύ απόμακρο μέλλον, ίσως σε τρισεκατομμύρια έτη, αλλά τώρα βλέπουμε ότι είμαστε, όχι στην αρχή, αλλά στη μέση του κύκλου ζωής του Σύμπαντος μας".

Οι καλές ειδήσεις, έγραψαν οι Linde και Kallosh, είναι ότι "έχουμε ακόμα πολύ χρόνο μπροστά μας, αν φυσικά πρόκειται να συμβεί".

Κοσμικές φυσαλίδες

Ο Linde γρήγορα αναγνωρίζει ότι το σενάριο περί κατάρρευσης του Κόσμου δεν είναι η τελική λέξη στη μοίρα του κόσμου.

"Η αστρονομία είναι μια επιστήμη που είναι γνωστή για τα συνεχή σφάλματά της", αυτοσαρκάζεται. "Υπάρχει μάλιστα κι ένα αστείο: 'Οι αστροφυσικοί πάντα έχουν λάθος αλλά ποτέ αμφιβολία'  Είμαστε ακριβώς στην έναρξη της έρευνας μας για αυτό  το ζήτημα, και θα ήταν ανακριβές να ερμηνεύσουμε τα αποτελέσματά μας σαν μια αξιόπιστη πρόβλεψη της Ημέρας της Κρίσεως. Εν πάση περιπτώσει, το δικό μας μοντέλο μας διδάσκει ένα ενδιαφέρον δίδαγμα: Ακόμα και οι πιο θεωρητικές, δυσκολονόητες θεωρίες των στοιχειωδών σωματιδίων μπορούν να προσφέρουν μεγάλη βοήθεια στη κατανόηση της μοίρας του Κόσμου και της μοίρας της ανθρωπότητας."

Η άμεση παρατήρηση του διαστήματος με τα τηλεσκόπια της τελευταίας τεχνικής, τους δορυφόρους και άλλα όργανα θα απαντήσει σε πολλές εκκρεμείς ερωτήσεις, πρόσθεσε. "Εισήλθαμε στην εποχή της ακριβούς κοσμολογίας, όπου μπορούμε πραγματικά να πάρουμε πολλά στοιχεία, και αυτά τα στοιχεία γίνονται ακριβέστερα. Ίσως μετά από 10 έτη, 20 έτη, 30 έτη, δεν ξέρω, αλλά αυτό είναι το χρονοδιάγραμμα στο οποίο θα πάρουμε έναν χάρτη του Κόσμου με όλα τα παρατηρήσιμα μέρη του. Έτσι πράγματα που ήταν ένα ζήτημα εντυπωσιασμού βαθμιαία θα εδραιώνονται ολοένα και περισσότερο".

Ο Linde όπως γνωρίζουμε βοήθησε στην εδραίωση της πληθωριστικής κοσμολογίας - τη θεωρία ότι ο Κόσμος άρχισε όχι με ένα καυτό Big Bang αλλά με μια εξαιρετικά γρήγορη διαστολή (πληθωρισμός) του χώρου σε μια κατάσταση σαν το κενό. Σύμφωνα με την πληθωριστική θεωρία, αυτό που ονομάζουμε Σύμπαν είναι μόλις ένα λεπτό τμήμα ενός πολύ μεγαλύτερου Κόσμου.

"Το Σύμπαν μοιάζει πραγματικά, όχι όπως μια φυσαλίδα, αλλά όπως μια φυσαλίδα που παράγει νέες φυσαλίδες", εξηγεί ο Linde. "Ζούμε σε ένα μικροσκοπικό μέρος της μιας φυσαλίδας, και κοιτάζουμε γύρω μας και λέμε", αυτός είναι ο Κόσμος μας.""

Εάν η φυσαλίδα μας καταρρεύσει σε ένα σημείο, μια νέα φυσαλίδα είναι πιθανή να διογκωθεί κάπου αλλού - ενδεχομένως προκαλώντας μια εξ ολοκλήρου νέα μορφή της ζωής, λέει ο Linde.

"Το κομμάτι αυτό του Σύμπαντος που βλέπουμε μπορεί να σβήσει, αλλά ο Κόσμος συνολικά, από μία άποψη, είναι αθάνατο - απλώς αλλάζει τις ιδιότητες του", και ολοκληρώνει. "Οι άνθρωποι θέλουν να κατανοήσουν τη θέση τους μέσα στο Σύμπαν, πώς δημιουργήθηκε και πώς θα τελειώσουν όλα - εάν τελειώσουν. Αυτό είναι κάτι που θα ήμουν ευτυχής να γνωρίζω την απάντηση. Μετά από όλα αυτά, δεν ήταν ποτέ εύκολο να εξετάσουμε το μέλλον, αλλά είναι πιθανό να το κάνουμε, και δεν πρέπει να χάσουμε την ευκαιρία μας".