|
 Από
όσο ξέρουμε η διαστολή του σύμπαντος άρχισε πριν 13.7 δισεκατομμύρια έτη
από μια πολύ καυτή, και απείρως μικρή κατάσταση. Από αυτή την καυτή και
απείρως μικρή κατάσταση, ξεφύτρωσε και εξελίχθηκε το σύμπαν που ξέρουμε
σήμερα. Η θεωρία αυτή πρωταρχικά αναπτύχθηκε με τις εργασίες του Sitter,
Friedmann, Gamov, Lemaitre. Αργότερα συμπληρώθηκε
Οι κοσμολόγοι ξέρουν ότι τότε δημιουργήθηκε όχι μόνο η ύλη που βλέπουμε
γύρω μας, αλλά και ο χωροχρόνος. Κατά συνέπεια, η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν
μια έκρηξη στον χώρο. Περισσότερο τη θεωρούμε σαν μια έκρηξη του χώρου. Η
Έκρηξη δεν διαδόθηκε από ένα σημείο σε κάποιο άλλο υποθετικό προϋπάρχον
κενό. Η Μεγάλη Έκρηξη εμφανίστηκε σε όλα τα σημεία παντού και συγχρόνως.
Οι κοσμολόγοι ονομάζουν αυτή την διαδικασία της διαστολής του χωρόχρονου
Μεγάλη Έκρηξη, επειδή σε μερικές φάσεις, ειδικά στην αρχή, η διαδικασία
θυμίζει έκρηξη.
Οι λόγοι για να πιστεύουμε στη θεωρία της Μεγάλης
Έκρηξης, έστω και με κάποια
κενά, είναι οι παρακάτω:
-
Το σύμπαν διαστέλλεται. Το γεγονός
ότι οι γαλαξίες υποχωρούν από μας προς όλες τις κατευθύνσεις είναι μια συνέπεια
αυτής της αρχικής έκρηξης και ανακαλύφθηκε αρχικά από τον αστρονόμο Hubble.
Υπάρχουν τώρα καθαρές και άμεσες αποδείξεις (η έντονη μετατόπιση των φασματικών
γραμμών των μακρινών γαλαξιών προς το ερυθρό) για το νόμο του Hubble, που
μας λέει ότι η ταχύτητα που απομακρύνεται ένας γαλαξίας είναι ανάλογη προς
την απόστασή του από μας. Αν κάνουμε προβολή των μέσων τροχιών των γαλαξιών,
πίσω στον χρόνο, βλέπουμε ότι συγκλίνουν σε μια κατάσταση υψηλής πυκνότητας
- την αρχική πύρινη βολίδα.
-
Η παρατηρούμενη ποσότητα του στοιχείου
ηλίου, που η θεωρία δέχεται πως είναι το 25% της συνολικής μάζας του σύμπαντος
και που σχηματίσθηκε κατά τη διάρκεια των πρώτων-πρώτων στιγμών, συμφωνεί
με τις παρατηρήσεις. Ένα δευτερόλεπτο περίπου μετά το Big Bang, η ύλη -
υπό μορφή ελεύθερων νετρονίων και πρωτονίων - ήταν πολύ θερμή και πυκνή.
Καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, η θερμοκρασία έπεσε και μερικά από αυτά νουκλεόνια
συνέθεσαν ελαφρά στοιχεία: το δευτέριο, το ήλιο-3, και το ήλιο-4. Οι θεωρητικοί
υπολογισμοί προβλέπουν ότι το ένα τέταρτο του σύμπαντος αποτελείται από
ήλιο-4, ένα αποτέλεσμα που είναι σε καλή συμφωνία με τις παρούσες παρατηρήσεις.
-
Η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου,
η οποία τώρα βρίσκεται σε μια θερμοκρασία περίπου 2.7 βαθμών πάνω από απόλυτο
μηδέν, που δείχνει πως το Σύμπαν προέρχεται από μια πυκνή, ισοθερμική κατάσταση.
Περίπου 380.000 έτη μετά από το Big Bang, η τότε θερμοκρασία του Σύμπαντος
(~3.000 βαθμοί) είχε μειωθεί αρκετά ώστε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι πυρήνες
που υπήρχαν μπόρεσαν να συνδυαστούν έτσι ώστε να σχηματίσουν τα άτομα του
υδρογόνου (τα πιο απλά άτομα). Από αυτήν την περίοδο και μετά, η ακτινοβολία
ήταν πρακτικά ανίκανη να αλληλεπιδράσει με το αέριο του υποβάθρου. Χωρίς
όμως ελεύθερα ηλεκτρόνια το φως δεν μπορούσε να αλληλεπιδράσει με την ύλη
για να σκεδαστούν (scattering) τα φωτόνια, κι έτσι το Σύμπαν έγινε διαφανές
στην ακτινοβολία. (Είναι αυτό το φως που θεωρούμε σήμερα ως Κοσμική Ακτινοβολία
Υποβάθρου). Διαδίδεται λοιπόν ελεύθερα από τότε, χάνοντας συνεχώς ενέργεια
επειδή το μήκος κύματός του αυξάνεται λόγω διαστολής του σύμπαντος. Αρχικά,
η θερμοκρασία της Κοσμικής Ακτινοβολίας ήταν περίπου 3.000 βαθμοί, ενώ σήμερα
έχει πέσει στους 2.7K μόνο - ένα φάντασμα της αφάνταστης έντονης θερμότητας
της αρχέγονης πύρινης βολίδας του Big Bang.
-
Η κατάρρευση της ύλης για να σχηματίσει
τους γαλαξίες και τις άλλες μεγάλης κλίμακας δομές (σμήνη και υπερσμήνη)
που παρατηρούνται στον κόσμο σήμερα. Σε, περίπου, 10.000 χρόνια μετά από
το Big Bang, η θερμοκρασία είχε πέσει σε τέτοιο βαθμό ώστε η ενεργειακή
πυκνότητα του σύμπαντος άρχισε να εξουσιάζεται πια από την ύλη, παρά από
το φως και την υπόλοιπη ακτινοβολία που κυριαρχούσαν νωρίτερα. Οι βαρυτικές
δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων άρχισαν να γίνονται υπολογίσιμες, και μικρές
διαταραχές στην πυκνότητά της ύλης αυξήθηκαν. Δέκα τέσσερα δισεκατομμύρια
χρόνια αργότερα βλέπουμε τα αποτελέσματα αυτής της κατάρρευσης.
-
Το παράδοξο του Olbers. Ο νυκτερινός
ουρανός είναι σκοτεινός. Άρα δεν είναι άπειρος ο αριθμός των αστεριών (το
σύμπαν δεν είναι άπειρο αλλά πεπερασμένο) ούτε χρονικά άπειρο (άρα το φως
πολλών αστεριών δεν έχει φθάσει ακόμη σε μας).
-
Χρονική διαστολή σε καμπυλώσεις του
φωτός των σουπερνόβα.
-
Η μεταβολή της θερμοκρασίας της μικροκυματικής
ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB) με μετατόπιση προς το ερυθρό. Αυτή είναι μια
άμεση παρατήρηση της εξέλιξης του Σύμπαντος.
-
Τα ελαφρά ισότοπα δευτέριο 2D, ηλίου-3,
ήλιο-4, και λιθίου-7 βρίσκονται σε αφθονία. Αυτό προβλέπεται από τη θεωρία
των 3 πρώτων λεπτών.
Αλλά
το απλό μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης αφήνει διάφορα εκκρεμή προβλήματα,
όπως:
-
Ο
χωρόχρονος του σύμπαντος είναι σχεδόν επίπεδος, που σημαίνει
ότι το σύμπαν βρίσκεται ακριβώς στη διαχωριστική γραμμή μεταξύ της
αιώνιας διαστολής και της ενδεχόμενης κατάρρευσης. Η Γενική Σχετικότητα
προτείνει ότι ο χώρος μπορεί να είναι πολύ κυρτός, με μια τυπική ακτίνα
της τάξεως του μήκους Planck, ή 10-33 cm. Εντούτοις, το
σύμπαν μας είναι περίπου επίπεδο με μια κλίμακα 1028
εκατοστά, την ακτίνα του αισθητού μέρους του σύμπαντος. Αυτό το
αποτέλεσμα των παρατηρήσεων μας διαφέρει από τις θεωρητικές προσδοκίες
περισσότερο από 60 μεγέθη τάξεως. Αυτό είναι το πρόβλημα της επιπεδότητας
που σχετίζεται με την κατανομή της μάζας και της ενεργείας στο σύμπαν.
Γιατί τα παρατηρησιακά στοιχεία αποδεικνύουν ότι η πυκνότητα της
ύλης - ενέργειας του σύμπαντος είναι πολύ κοντά στην κρίσιμη τιμή, την
τιμή που διαχωρίζει το ανοικτό συνεχώς διαστελλόμενο σύμπαν από το
κλειστό σύμπαν το οποίο περνά από μία φάση διαστολής, στη συνεχεία
συστέλλεται και τελικά «καταρρέει» σε μία ανωμαλία. Αυτό δημιουργεί
πονοκέφαλο στους κοσμολόγους αφού σε ένα σύμπαν που περιέχει τις γνωστές
μορφές ύλης και ενεργείας, η όποια αρχική απόκλιση από την κρίσιμη τιμή
της πυκνότητας αυξάνεται εκθετικά καθώς περνά ο χρόνος. Το σύμπαν μας
διαστέλλεται για 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι
εφόσον η σημερινή τιμή της πυκνότητας είναι πολύ κοντά στην κρίσιμη τιμή
η αρχική τιμή θα πρέπει να ήταν απίστευτα κοντά στην κρίσιμη τιμή. Κι
αυτή την κοσμική σύμπτωση οι θεωρητικοί δεν μπορούν να την
αιτιολογήσουν.
-
Τι υπήρχε πριν τη Μεγάλη Έκρηξη;
Εάν ο χωρόχρονος δεν υπήρχε τότε, πώς θα μπορούσαν όλα να εμφανιστούν
από το τίποτα; Τι ξεπήδησε πρώτα: ο Κόσμος ή οι νόμοι που καθορίζουν την
εξέλιξή του; Η εξήγηση αυτής της αρχικής ιδιομορφίας --πού και πότε όλα
αυτά άρχισαν-- ακόμη παραμένει το πιο δυσεπίλυτο πρόβλημα της σύγχρονης
κοσμολογίας.
-
Γιατί το σύμπαν είναι τόσο
ομοιόμορφο σε μεγάλη κλίμακα; Γιατί φαίνεται το ίδιο σε όλα τα σημεία
και προς όλες τις διευθύνσεις; Γιατί η μικροκυματική ακτινοβολία
υποβάθρου φαίνεται να έχει τόσο σταθερή θερμοκρασία (2.7 Κ) ανεξάρτητα
από την διεύθυνση απ' όπου προέρχεται;
Ξέρουμε ότι η πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός θέτει όριο για τη μετάδοση
των πληροφοριών στο σύμπαν. Έτσι, σε κάθε περιοχή του σύμπαντος αντιστοιχεί ένας νοητός σφαιρικός ορίζοντας με ακτίνα που ισούται με την
απόσταση την οποία διανύει το φως σε χρόνο ίσο με την εκάστοτε ηλικία
του σύμπαντος. Με την πάροδο του χρόνου, ο ορίζοντας διαστέλλεται.
Σήμερα η ακτίνα του είναι περίπου 13.7 δισεκατομμύρια έτη φωτός, όση και
η ηλικία του σύμπαντος.
Η ύπαρξη του ορίζοντα αυτού δημιουργεί προβλήματα. Εφόσον κανένα σήμα
δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως, δύο περιοχές του
σύμπαντος μπορούν να «επικοινωνήσουν» με φωτεινά σήματα, και να
αποκαταστήσουν συνθήκες ισορροπίας όσον αφορά τη θερμοκρασία και την
πυκνότητα τους, μόνο αν η μία βρίσκεται μέσα στον ορίζοντα της άλλης.
Έτσι, για παράδειγμα, σε μία περιοχή του σύμπαντος που βρίσκεται πέρα
από το σημερινό ορίζοντα ενός γήινου παρατηρητή αναμένεται ότι θα
επικρατούν πολύ διαφορετικές συνθήκες πυκνότητας, θερμοκρασίας και
πίεσης από αυτές που υπάρχουν στην περιοχή του σύμπαντος κοντά στη Γη.
Κι' αυτό διότι οι δύο περιοχές στις πρώτες φάσεις της κοσμικής εξέλιξης,
όταν η πυκνότητα, θερμοκρασία και πίεση του σύμπαντος έπαιρναν τις
τελικές τιμές τους, δεν είχαν τη δυνατότητα να «επικοινωνήσουν» εφόσον η
μία βρισκόταν έξω από τον ορίζοντα της άλλης. Με άλλα λογία, πολύ
απομακρυσμένες μεταξύ τους περιοχές, που στο παρελθόν, όταν ο ορίζοντας
ήταν μικρότερος, δεν μπορούσαν να «επικοινωνήσουν» με φωτεινά σήματα,
αναμένεται να εμφανίζουν ανομοιογένεια πυκνότητας και θερμοκρασίας.
Τα στοιχεία των παρατηρήσεων ωστόσο δείχνουν ακριβώς το αντίθετο. Στις
μεγαλύτερες παρατηρησιακά δυνατές κλίμακες αποστάσεων, η θερμοκρασία και
η πυκνότητα του σύμπαντος παρουσιάζουν εξαιρετική ομοιογένεια. Οι
παρατηρήσεις δείχνουν πως ο ουρανός φαίνεται ο ίδιος προς όλες τις
διευθύνσεις με μια ακρίβεια 1 προς 10.000. Αυτό, που είναι γνωστό ως
πρόβλημα του ορίζοντα, αποτελεί έναν από τους δυσκολότερους σύγχρονους
κοσμολογικούς γρίφους.
Ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της
Καθιερωμένης Κοσμολογίας του Big Bang ήταν η "κοσμολογική αρχή," που
βεβαιώνει ότι το σύμπαν πρέπει να είναι ομοιογενές. Αυτή η υπόθεση,
εντούτοις, δεν βοηθάει και πολύ επειδή το σύμπαν ενσωματώνει σημαντικές
αποκλίσεις από την ομοιογένεια, όπως για παράδειγμα, τα αστέρια, τους
γαλαξίες και άλλες μεγάλες συσσωρεύσεις της ύλης. Ως εκ τούτου, πρέπει
να εξηγήσουμε γιατί το σύμπαν είναι τόσο ομοιόμορφο στις μεγάλες
κλίμακες και να προτείνουμε συγχρόνως κάποιο μηχανισμό που να παράγει
τους γαλαξίες.
-
Το πρόβλημα των κρυμμένων
διαστάσεων. Μικρές αλλαγές στις φυσικές σταθερές της φύσης θα μπορούσαν
να είχαν κάνει τον κόσμο να "ξετυλιχθεί" κατά τρόπο απολύτως
διαφορετικό. Παραδείγματος χάριν, πολλές δημοφιλείς θεωρίες των
στοιχειωδών σωματιδίων υποθέτουν ότι ο χωρόχρονος είχε αρχικά
περισσότερες από τέσσερις διαστάσεις (τρεις χωρικές και μια χρονική).
Προκειμένου να τακτοποιηθούν οι θεωρητικοί υπολογισμοί με το φυσικό
κόσμο στον οποίο ζούμε, αυτά τα μοντέλα δηλώνουν ότι οι πρόσθετες
διαστάσεις είναι "συμπυκνωμένες", ή έχουν περιτυλιχτεί σε ένα μικρό
μέγεθος. Αλλά κάποιος βέβαια μπορεί να αναρωτηθεί γιατί η "συμπύκνωση"
αυτών των διαστάσεων σταμάτησε με τέσσερις διαστάσεις, κι όχι με δύο ή
πέντε.
-
Το πρόβλημα της ελλείπουσας
σκοτεινής ύλης. Πρέπει να τονιστεί επίσης πως το αρχικό μοντέλο της
Μεγάλης Έκρηξης δεν μπορεί να αντιμετωπίσει το εξής πρόβλημα: Γιατί η
παρατηρούμενη μάζα του Σύμπαντος είναι δέκα φορές μικρότερη της
εκτιμούμενης βάσει των κινήσεων των Γαλαξιών;
-
Η απουσία των μαγνητικών
μονοπόλων. Ενώ πιστεύεται πως υπήρξαν κάποτε δεν έχει παρατηρηθεί ακόμη
κανένα.
-
Γιατί το σύμπαν ήταν αρχικά τόσο
θερμό;
-
Πώς δημιουργήθηκε τόση ύλη στο
σύμπαν αφού αρχικά υπήρχε μόνο ακτινοβολία. Μια άποψη δε δέχεται ότι
αρχικά υπήρχε μόνο 500 γραμμάρια ύλης. Πώς λοιπόν φτιάχτηκαν τα
τρισεκατομμύρια άστρα και δισεκατομμύρια γαλαξίες μέσα στο σύμπαν; Πώς
φτιάχτηκαν τα 1080
σωματίδια που βρίσκονται στο ορατό σύμπαν;
-
Τέλος, υπάρχει το πρόβλημα της
κοσμολογικής σταθεράς Λ των εξισώσεων πεδίου της Γενικής Θεωρίας της
Σχετικότητας, που εκφράζει μια άπωση ανάλογη της απόστασης μεταξύ των
αντικείμενων. Η βαρυτική θεωρία του Einstein ωστόσο δεν προβλέπει κάποια
τιμή για τη σταθερά αυτή. Οι φυσικοί των υψηλών ενεργειών πιστεύουν ότι
η απωστική βαρυτική δύναμη που εκφράζει η σταθερά Λ είναι, απόρροια
κβαντικών διαδικασιών στο αρχικό σύμπαν. Δυστυχώς η πρόβλεψη της
κβαντικής θεωρίας πεδίου για την τιμή της σταθεράς Λ είναι 10120
φορές μεγαλύτερη από την τιμή που υπολογίζεται από τα στοιχεία των
παρατηρήσεων.
Η
γενική θεωρία της σχετικότητας δεν μπορεί από μόνη της να εξηγήσει αυτά τα
χαρακτηριστικά του σύμπαντος ή να απαντήσει στα παραπάνω ερωτήματα, επειδή
προβλέπει ότι το σύμπαν άρχισε να υπάρχει σε κατάσταση άπειρης πυκνότητας,
στην ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης. Σε κάθε ιδιομορφία η Γενική
Σχετικότητα καταρρέει, δεν μπορεί να προβλέψει τι θα προέλθει από μια
ιδιομορφία, όπως αυτή της Μεγάλης Έκρηξης. Μπορούμε γι αυτό να αποκόψουμε
τι συνέβη πριν τη Μεγάλη Έκρηξη και την ιδιομορφία από τα επόμενα
γεγονότα, γιατί δεν έχουν καμιά συνέπεια σε ό,τι παρατηρούμε σήμερα.
Μερικά
από αυτά τα προβλήματα (του ορίζοντα, της επιπεδότητας, της δημιουργίας
της ύλης και των
μαγνητικών μονόπολων) λύθηκαν με τη θεωρία του Πληθωρισμού. Προτάθηκε
από τον Alan Guth το 1980 και εισάγει μια πρώιμη και πολύ σύντομη περίοδο
εκθετικής κοσμικής διαστολής στην οποία το σύμπαν κυριολεκτικά φούσκωσε σαν μια
τεράστια φυσαλίδα. Τέλος, για την αντιμετώπιση του προβλήματος της κοσμολογικής
σταθεράς Λ προτάθηκε η ύπαρξη μίας νέας μορφής ενεργείας με μυστηριώδεις
ιδιότητες που κατακλύζει το σύμπαν: η σκοτεινή ενεργεία. Πολλοί ωστόσο
φαίνεται ότι αμφισβητούν τη σκοπιμότητα της παρουσίας της αλλά και την
ίδια την ύπαρξη της.
-
Στο πρόβλημα λοιπόν της ισοτροπίας
ή του ορίζοντα -- το σύμπαν να φαίνεται το ίδιο στις αντίθετες πλευρές του ουρανού
δηλαδή σε αντίθετα σημεία του ορίζοντα ακόμα κι αν αυτά τα σημεία δεν μπορούν
να 'επικοινωνήσουν' μεταξύ τους, γιατί η απόσταση τους είναι μεγαλύτερη
από την απόσταση που μπορεί να διανύσει το φως από τη μια άκρη του τότε
σύμπαντος στην άλλη --, η θεωρία του πληθωρισμού προτείνει ότι όταν
ξεκίνησε ο Κόσμος, αυτές οι περιοχές ήταν πράγματι γειτονικές και
επικοινωνούσαν αλλά έπειτα
διαχωρίστηκαν πάρα πολύ γρήγορα σε μεγάλες αποστάσεις. Γιατί ο πληθωρισμός
δέχεται ότι η ταχύτητα διαστολής ήταν μεγαλύτερη από εκείνη του φωτός. Έτσι, στην αρχή της
γέννησης του Κόσμου επικοινώνησαν (αντάλλαξαν πληροφορίες) γι αυτό είναι
και παρόμοια δύο αντίθετα σημεία, αλλά σήμερα δεν
επικοινωνούν.
-
Η θεωρία του πληθωρισμού δέχεται ότι
στη φάση του πληθωρισμού οποιαδήποτε
καμπυλότητα του χωροχρόνου θα είχε απαλειφθεί εξ αιτίας της ταχύτατης
διαστολής του Σύμπαντος. Επιπλέον, η πληθωριστική διαστολή θα είχε
προσφέρει έναν τρόπο ώστε οι τυχαίες υποατομικές διακυμάνσεις στο αρχικό
Σύμπαν να διογκωθούν σε μακροσκοπικές αναλογίες. Με την πάροδο του
χρόνου, η βαρύτητα θα μπορούσε τότε να σχηματοποιήσει αυτές τις
παραλλαγές στο αραχνοειδές δίκτυο των γαλαξιών και των κενών μεταξύ τους
που φαίνονται στο Σύμπαν σήμερα.
-
Η ύλη δημιουργήθηκε από τις
διαδικασίες σχηματισμού των ζευγών σωματιδίων/αντισωματιδίων. Και η
ενέργεια για τη δημιουργία τους προήλθε από το μηδέν σύμφωνα με την
κβαντική θεωρία. Η συνολική ενέργεια του σύμπαντος είναι μηδέν, γιατί η
θετική ενέργεια της ύλης είναι ακριβώς ίση με την αρνητική ενέργεια της
βαρύτητας. Μπορεί λοιπόν να αυξάνεται η θετική ενέργεια (η ύλη στην
περίπτωση μας) αλλά αυξάνεται και η αρνητική ενέργεια της βαρύτητας
τους, ώστε και πάλι η συνολική ενέργεια είναι μηδέν. Αυτό το περίεργο
γεγονός συνέβη στην πληθωριστική εποχή όπου το σύμπαν μεγάλωσε σε πολύ
μικρό χρονικό διάστημα κατά 1030 φορές.
-
Η θεωρία του
πληθωριστικού Σύμπαντος λύνει και το πρόβλημα των μαγνητικών μονόπολων. Την
εποχή λοιπόν μετά τα 10-35 sec, οι κβαντικές διακυμάνσεις με
ένα ειδικό τρόπο του κβαντικού πεδίου, οδήγησαν το σύμπαν να διασταλεί
τόσο γρήγορα που η πυκνότητα των μονόπολων που παρήχθησαν στην αρχή του
Big Bang ελαττώθηκε τόσο, ώστε να μην βλέπουμε πια κανένα μονόπολο μέσα
στο ορατό μας Σύμπαν.
Έτσι, η
αρχική θεωρία του Big Bang θεωρείται ότι έχει συμπληρωθεί με τη θεωρία του
πληθωρισμού.
|
