Η εκπυρωτική κοσμολογία επανέρχεται στο προσκήνιο

Πηγή: PhysicsWorld, 15 Ιανουαρίου 2008

Μια αμφισβητούμενη θεωρία που υπάρχει εδώ και έξι χρόνια και μιλάει για την εποχή πριν από το Big Bang, πρόσφατα επανήλθε στο προσκήνιο, μόνο που κατηγορείται και πάλι από αυτούς που αρχικά την είχαν απορρίψει.

Η θεωρία της εκπυρωτικής κοσμολογίας υποβλήθηκε αρχικά ως μια εναλλακτική λύση του καθιερωμένου "πληθωριστικού" μοντέλου του σύμπαντος. Ο πληθωρισμός υποθέτει ότι αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη ο Κόσμος υποβλήθηκε σε μια πολύ σύντομη περίοδο γρήγορης διαστολής. Ο πληθωρισμός ενίσχυσε τις μικροσκοπικές διαταραχές της πυκνότητας, οι οποίες εξελίχθηκαν στα αστέρια, τους γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών που βλέπουμε σήμερα.


Σύγκρουση μεταξύ δύο βρανών: Στην εκπυρωτική κοσμολογία, ο ορατός Κόσμος μας υπάρχει στη μία από τις δύο "βράνες" που συγκρούονται συνεχώς και διαχωρίζονται με την πέμπτη διάσταση. Σε κάθε σύγκρουση, γεννιέται ένα νέο σύμπαν.

Αν και δεν υπάρχει αυτήν την περίοδο κανένας τρόπος να αποδειχθεί ότι ο πληθωρισμός εμφανίστηκε ποτέ, το γεγονός ότι προσφέρει μια τέτοια απλή εξήγηση για την κοσμική δομή και την επιπεδότητα του σύμπαντος, έχει τοποθετηθεί στο κοσμολογικό δόγμα όπως περιγράφηκε στις αρχές της δεκαετίας του '80.

Στην εκπυρωτική κοσμολογία - που προτάθηκε το 2001 από τους φυσικούς Paul Steinhardt, Justin Khoury, Neil Turok και Burt Ovrut - δεν υπάρχει καμία αρχή του χρόνου. Αντιθέτως, ο ορατός Κόσμος μας υπάρχει στη μία εκ των δύο τετραδιάστατες 'βράνες' που επιπλέουν σε ένα χώρο πέντε διαστάσεων. Αυτές οι δύο βράνες είναι κλειδωμένες σε μια αέναη ταλαντωτική κίνηση στην οποία αυτές προχωρούν αργά-αργά μαζί, "αναπηδούν" η μία μέσω της άλλης, αποσύρονται και έπειτα πάλι προχωρούν μαζί.

Σε κάθε αναπήδηση, που είναι σαν ένα καινούργιο Big Bang, συγκρούονται μικροί κυματισμοί στις βράνες και ελευθερώνουν ενέργεια σε διάφορα μέρη για να παραγάγουν τις αρχικές διαταραχές στην πυκνότητα. Και επειδή η διατήρηση της ενέργειας θα ευνοούσε μια επίπεδη βράνη, η θεωρία εξηγεί γιατί ο ορατός κόσμος μας είναι  επίσης επίπεδος.  "Είναι σαν τον Αντίχριστο στον Πληθωρισμό," λέει ο Khoury.

Η κριτική της εκπυρωτικής κοσμολογίας στο παρελθόν είχε δώσει έμφαση σε δύο ιδιαίτερα προβλήματα. Κατ' αρχάς, κάθε αναπήδηση θα ήταν ένα σημείο άπειρης θερμοκρασίας και πίεσης γνωστή σαν ιδιομορφία στην κλασσική θεωρία της Κοσμολογίας που είναι αδύνατον να περιγραφεί με τη χρησιμοποίηση της συμβατικής φυσικής. Δεύτερον, δεν ήταν σαφές ότι οι διαταραχές της πυκνότητας θα παρουσιάζονταν σε όλες τις κλίμακες του μήκους, όπως δείχνουν πως πρέπει να είναι οι παρατηρήσεις της αρχέγονης ακτινοβολίας που απέμεινε από το Big Bang - δηλαδή το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Από το Α έως το Ω

Τώρα, οι Khoury και Evgeny Buchbinder, που είναι αυτήν την περίοδο στο Ίδρυμα Perimeter στο Βατερλώ του Καναδά, μαζί με τον Ovrut, που είναι στο πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας, λένε πως έχουν υπερνικήσει αυτά τα προβλήματα. Στηριγμένοι στην εργασία που ξεκίνησε το 2006 από τους Leonardo Senatore, Paolo Creminelli και άλλους, οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορούν να φέρουν τις διαταραχές της πυκνότητας "άθικτες" (σταθερές) μέσω μιας αναπήδησης, ενώ τους αφήνει αμετάβλητη την κλίμακα από την άλλη πλευρά. "Για πρώτη φορά είμαστε σε θέση να ακολουθήσουμε την ιστορία από το Α έως το Ω," λέει ο Khoury.

Οι φυσικοί είχαν κατορθώσει να βρουν στους υπολογισμούς τους - στο παρελθόν - μετά την αναπήδηση των βρανών, μια 'ιδιομορφία', αλλά παράγονται και ανεπιθύμητα σωματίδια αρνητικής ενέργειας. Με τη συγχώνευση της εκπυρωτικής κοσμολογίας με ένα βαθμωτό πεδίο, γνωστό ως συμπύκνωμα φάντασμα, η ομάδα του Khoury ισχυρίζεται πως δεν υπάρχει καμία τέτοια περιπλοκή. Αυτό το πεδίο - που το περιγράφουν ως ένα ρευστό των άμαζων σωματιδίων στην ίδια κβαντική κατάσταση που το διάστημα διαποτίζεται με την απωστική βαρύτητα - μπορεί να εξομαλύνει την αναπήδηση.

Από μόνο του, εν τούτοις, ένα συμπύκνωμα φάντασμα δεν μπορεί να διατηρήσει τις διαταραχές της πυκνότητας σε σταθερή κλίμακα. Για να το καταφέρει, η ομάδα Khoury επικαλείται ένα άλλο βαθμωτό πεδίο. Αποδεικνύει ότι η διαφορά μεταξύ των διακυμάνσεων εντροπίας σε αυτό το πεδίο και αυτών του πεδίου συμπύκνωμα φάντασμα παράγει σαφώς διαταραχές της πυκνότητας σε σταθερή κλίμακα.

Δύσκαμπτη αντίθεση

Οι αρχικές κριτικές στην εκπυρωτική κοσμολογία κατευθύνθηκαν από τον Andrei Linde του πανεπιστημίου του Στάνφορντ και έχει μικρή εκτίμηση για μια "νέα εκπυρωτική κοσμολογία". Ο ίδιος υποστηρίζει ότι η θεωρία 'μολύνεται' ακόμα από τα σωματίδια αρνητικής ενέργειας, τα οποία οδηγούν σε μια "καταστροφική" αστάθεια στο κενό του πρώιμου σύμπαντος. "Το σύμπαν που περιγράφεται από αυτήν την θεωρία πεθαίνει αμέσως," λέει ο Andrei Linde. "Επομένως δεν έρχεται ακόμη κοντά στην περιγραφή του δικού μας Κόσμου."

Ο Khoury επιμένει ότι το επιχείρημα του Linde είναι λάθος επειδή αυτός δεν αναγνωρίζει ότι οι θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής είναι αποτελεσματικές, στο ότι αυτές δουλεύουν μόνο πάνω σε ένα πεπερασμένο εύρος της ενεργειακής κλίμακας. "Αυτός προβλέπει κάτι εμπιστευόμενος τη θεωρία πέρα από το σημείο όπου πρέπει να την εμπιστευθεί," εξηγεί ο Khoury. "Σε αντίθεση, πάντα στην περιγραφή του σεναρίου της Αναπήδησης, ο Κόσμος είναι σε μια αρκετά χαμηλή ενέργεια που μπορούμε να εμπιστευθούμε την περιγραφή του συμπυκνώματος φάντασμα."

Ο Nima Arkani-Hamed  του πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, που διατύπωσε αρχικά τη θεωρία των συμπύκνωμα φάντασμα βρίσκεται στην πλευρά της ομάδας του Khoury. Εντούτοις, σκέφτεται ότι η νέα εκπυρωτική κοσμολογία είναι πάρα πολύ περίπλοκη για να συναγωνιστεί τον πληθωρισμό.


Δημιουργώντας ένα Εκπυρωτικό Σύμπαν

1. Μια βράνη με παράξενη φυσική, διαφορετική από τη δική μας, κατευθύνεται προς το ένα άκρο της 5ης διάστασης.

3. Οι άλλες βράνες κινούνται μέσα στην 5η διάσταση.

Πως υφίστανται οι μεμβράνες (branes) στην 5η διάσταση και δημιουργούν το Εκπυροτικό Σύμπαν

2. Μια άλλη βράνη προορισμένη να γίνει το σημερινό σύμπαν μας, κινείται προς το άλλο άκρο της 5ης διάστασης.

4. Όταν αυτή η βράνη κτυπά με δύναμη την δική "μας" βράνη, τότε γεννάται το σύμπαν στο οποίο ζούμε.

Στο μοντέλο των Steinhardt και Turok, το σύμπαν είναι απλά μια φέτα (γνωστή ως βράνη) μέσα στις πρόσθετες διαστάσεις, και το Big Bang ήταν μια σύγκρουση μεταξύ των βρανών - μια τεράστια κοσμική σύγκρουση. Αυτό το μοντέλο στηρίζεται σε μια ιδέα, τη Μ-θεωρία, στην οποία οι χορδές ζουν σε δύο βράνες στην άκρη του χωροχρόνου των 11 διαστάσεων. Εφαρμόζοντας τους συνηθισμένους κανόνες της θεωρίας των χορδών οδηγούμαστε σε μια γενική εικόνα στην οποία αυτές οι βράνες μπορούν να κινηθούν η μία πάνω στην άλλη, και περιστασιακά (κάθε ένα τρισεκατομμύριο χρόνια σύμφωνα με τους Steinhardt και Turok) να χτυπά η μία την άλλη. Είναι αυτό το 'χτύπημα' ή η σύγκρουση που είναι υπεύθυνο για αυτό που θεωρούμε ως Big Bang, αν και από την άποψη των πολλών διαστάσεων είναι μια σύγκρουση αντί για μια ιδιομορφία που λέει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Εάν το σενάριο αυτό είναι σωστό, τότε η επόμενη εξέλιξη του σύμπαντος μας είναι λίγο πολύ η ίδια όπως γίνεται αποδεκτή από όλους. Καθώς ο χώρος της βράνης μας εξερράγη και μεγάλωσε, η διαστολή έψυξε γρήγορα την πύρινη βολίδα της Μεγάλης Έκρηξης. Τελικά, όταν ήταν αρκετά ψυχρή, σχηματίστηκαν οι γαλαξίες και τα αστέρια από τα παγωμένα συντρίμμια. Και, μια ημέρα, μετά από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, μια ομάδα φυσικών στον τρίτο πλανήτη ενός μη σημαντικού άστρου σε έναν μη αξιοπρόσεκτο γαλαξία είχε την ιδέα ότι μια σύγκρουση μεταξύ κάποιων ιδιαίτερων οντοτήτων, των λεγόμενων βρανών, επιτέλους δίνει μια εξήγηση για όλα αυτά που βλέπουμε γύρω μας.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
2η Θεωρία: Η θεωρία των βρανών εμπνέει την εικόνα του εκπυρωτικού ή κυκλικού Σύμπαντος
Το εκπυρωτικό Σύμπαν - Μια σύγκρουση πριν το Big Bang;
Ο κόσμος ξαναγεννιέται συνεχώς στο νέο μοντελο του σύμπαντος
Η σύγκρουση μεμβρανών στη θεωρία χορδών δίνει ένα νέο μοντέλο για την απαρχή του Σύμπαντος
Το Σύμπαν: Ένας Κβαντικός Βρόγχος

Home