Το σύμπαν είναι στην πραγματικότητα αιώνιο

Το σύμπαν ξεκίνησε με μια έκρηξη – μια μεγάλη έκρηξη. Η έκρηξη «τέντωσε» τον ίδιο τον χωροχρόνο, εκτοξεύοντας υπέρθερμη ύλη προς όλες τις κατευθύνσεις. Με την διαστολή του σύμπαντος, η ύλη ψύχθηκε και άρχισε να συγκεντρώνεται σχηματίζοντας τους πρώτους πυρήνες, τα πρώτα άτομα, στη συνέχεια τα άστρα, μετά τους γαλαξίες, και τελικά, όλα όσα σήμερα βλέπουμε και γνωρίζουμε.

Για τον φυσικό και κοσμολόγο Alan Guth, καθηγητή Φυσικής στο MIT, υπάρχει ένα μεγάλο αναπάντητο ερώτημα για την μεγάλη έκρηξη: «τι ήταν αυτό που την προκάλεσε;»

Η απάντηση σύμφωνα με τον Guth βρίσκεται στην θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού, οποίος καθορίζει τις προϋποθέσεις της μεγάλης έκρηξης. Για την θεωρία αυτή ο Guth, ο Andrei Linde από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ο Alexei Starobinsky του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Landau της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, τιμήθηκαν με το βραβείο Kavli 2014 στην αστροφυσική.

Σύμφωνα με τη θεωρία, για λιγότερο από ένα εκατομμυριοστό του τρισεκατομυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου μετά την γέννηση του σύμπαντος, μια εξωτική μορφή ύλης άσκησε μια (πέραν της διαισθήσεώς μας) δύναμη, μια βαρυτική απωστική δύναμη. Παρότι θεωρούμε την βαρυτική δύναμη ελκτική (η εικόνα του Νεύτωνα και το μήλο που πέφτει), η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν επιτρέπει μια τέτοια δύναμη.

Σύμφωνα με τον Guth, στις συνθήκες που επικρατούσαν στο αρχέγονο σύμπαν, όταν οι θερμοκρασίες ήταν εξαιρετικά υψηλές η ύπαρξη ενός τέτοιου υλικού ήταν λογικά πιθανή. Δεν ήταν παρά μια μικροσκοπική κηλίδα, αλλά όταν άρχισε να μεγαλώνει η διαστολή ήταν εκθετική. Εξετάζοντας αυτά τα μοιραία γεγονότα – και το τι συνέβη στη συνέχεια – εγείρονται μερικά από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα στην επιστήμη: Πως άρχισε το σύμπαν μας, πως θα εξελιχθεί και τι προκάλεσε την δημιουργία του;

Δεν περιμένουμε να απαντήσουμε άμεσα σ’ αυτές τις ερωτήσεις, αλλά οτιδήποτε μας οδηγεί σε μικρά βήματα κατανόησης αυτών των ερωτημάτων είναι εντυπωσιακό.

Ας δούμε λοιπόν πως απαντά ο Guth στα ερωτήματα, από πού προήλθε το σύμπαν μας, τι άλλο υπάρχει εκεί έξω, πως ο πληθωρισμός μπορεί να δημιουργήσει αρχέγονες μαύρες τρύπες, μια υποθετική οντότητα που θα μπορούσε να είναι συστατικό της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος.

Τι υπήρχε πριν αρχίσει ο πληθωρισμός;

Αυτό είναι κάτι που έχω σκεφτεί στο πλαίσιο μιας δημοσίευσης που γράφω με τον Sean Carroll [από το Caltech]. Η ιδέα είναι ότι το σύμπαν είναι στην πραγματικότητα αιώνιο. Υπήρχε πάντοτε, οπότε δεν υπάρχει κάποια αρχή που να απαιτεί εξήγηση. Οι ίδιοι οι νόμοι της Φυσικής δεν φαίνεται να κάνουν σημαντική διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος. Καθώς το σύμπαν εξελίσσεται, η εντροπία του, το μέγεθος που μετράει την αταξία, αυξάνεται. Αυτό που αποκαλούμε μέλλον είναι απλά μια κατεύθυνση προς μεγαλύτερη εντροπία. Μια κατάσταση χαμηλότερης εντροπίας είναι αυτό που αποκαλούμε παρελθόν.

Όμως ένα περίεργο πράγμα συμβαίνει όταν πάρουμε αυτήν την αρχική κατάσταση χαμηλής εντροπίας και την παρακολουθήσουμε πίσω στον χρόνο, προς αυτό που αποκαλούμε παρελθόν: η εντροπία θα αρχίσει να αυξάνεται επίσης και προς αυτήν την κατεύθυνση. Νομίζω ότι οι άνθρωποι που θα ζούσαν [κατά μήκος αυτού του βέλους του χρόνου] δεν θα ένιωθαν κάτι διαφορετικό από αυτό που αισθανόμαστε τώρα. Όλοι θα σκέφτονται ότι ζουν από το παρελθόν προς το μέλλον, μόνο που αυτό που αποκαλούν μέλλον θα είναι αυτό που εμείς αποκαλούμε παρελθόν.

Τι μπορεί να μας πει ο πληθωρισμός σχετικά με τις δυνάμεις που συγκροτούν το σύμπαν μας;

Αν η μόνη ύλη στους γαλαξίες ήταν η ύλη που βλέπουμε, τότε δεν θα ήταν αρκετή για να τους συγκρατήσει ώστε να μην διαλυθούν εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους – ή δεν θα είχαν σχηματιστεί ποτέ. Γι' αυτό υπάρχει η υπόθεση της σκοτεινής ύλης, απαραίτητη ώστε να συγκρατείται η ύλη των γαλαξιών. Σε συνεργασία με άλλους φυσικούς και φοιτητές υπολογίζω την παραγωγή των αρχέγονων μαύρων τρυπών σε μια εκδοχή της πληθωριστικής θεωρίας που ονομάζεται υβριδικός πληθωρισμός. Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι συστατικό της σκοτεινής ύλης. Θα μπορούσαν επίσης να είναι οι σπόροι οι οποίοι οδήγησαν στον σχηματισμό των τεράστιων μαύρων τρυπών που εντοπίζονται στα κέντρα των γαλαξιών – μαύρες τρύπες που έχουν εκατομμύρια έως και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Αν ποτέ εντοπίσουμε τις αρχέγονες μαύρες τρύπες, θα πρόκειται για συγκλονιστική ανακάλυψη.

 Είναι το σύμπαν μας όλο αυτό που βλέπουμε;

Η θεωρία του αιώνιου πληθωρισμού μας λέει ότι άπαξ και ξεκινήσει ο πληθωρισμός, δεν θα σταματήσει ποτέ. Μάλλον εκεί που τελειώνει δημιουργούνται σύμπαντα. Τα αποκαλούμε σύμπαντα τσέπης γιατί κανένα δεν από αυτά δεν είναι αυτό που εκφράζει μόνη της έννοια συν-πάν. Ζούμε σε ένα από αυτά. Και παρόλο που τα σύμπαντα τσέπης συνεχίζουν να σχηματίζονται, υπάρχει πάντα ένας όγκος εξωτικού υλικού απωστικής βαρύτητας που μπορεί να αυξάνεται για πάντα, παράγοντας έναν άπειρο αριθμό αυτών των κόσμων τσέπης σε μια ατελείωτη διαδικασία.

Κάθε ξεχωριστό σύμπαν-τσέπης τελικά πιθανώς να πεθάνει, με την έννοια ότι θα εξαντληθεί η ενέργειά του και θα κρυώσει. Όμως, στη μεγάλη εικόνα όλων των συμπάντων τσέπης, η ζωή θα εμφανιζόταν συνεχώς σε όλο και περισσότερα από αυτά.

Υπάρχει κάτι αρνητικό στο να ζεις σε ένα πολυσύμπαν;

Το πρόβλημα με ένα άπειρο πολυσύμπαν είναι ότι αν θέσουμε μια απλή ερώτηση όπως, «εάν ρίξετε ένα νόμισμα ποια είναι η πιθανότητα να εμφανιστεί κορώνα», συνήθως θα λέγατε 50%. Αλλά στο πλαίσιο του πολυσύμπαντος, η απάντηση είναι ότι υπάρχει ένας άπειρος αριθμός κορωνών και άπειρος αριθμός γραμμάτων. Δεδομένου ότι δεν μπορούμε να συγκρίνουμε άπειρες ποσότητες, δεν υπάρχει σαφής τρόπος να λέμε ότι κάποιοι τύποι γεγονότων είναι πιο πιθανοί και κάποιοι άλλοι τύποι σπάνιοι. Αυτό οδηγεί σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την σημασία της πιθανότητας. Και οι πιθανότητες είναι ζωτικής σημασίας για τους φυσικούς, επειδή η βασική μας θεωρία είναι η κβαντική θεωρία, η οποία θεμελιώνεται με τις πιθανότητες, επομένως θα πρέπει να αποκτήσουμε μια βαθύτερη γνώση γι' αυτές.