Βλέποντας τον κόσμο με άλλα μάτια

Ζούμε ίσως στην πιο σημαντική εποχή στην ιστορία της Κοσμολογίας, όπου οι γνώσεις μας για την εξέλιξη του Σύμπαντος και των κοσμικών δομών που περιέχει αλλάζουν καθημερινά και αυξάνονται με σχεδόν εκθετικό ρυθμό. Η Κοσμολογία, παρ’ όλο που προσπαθεί να δώσει απάντηση σε θεμελιώδη ερωτήματα που έθεσε ο άνθρωπος από την αυγή ακόμη του πολιτισμού, είναι μια σχετικά νέα επιστήμη. Η ιστορική διαδρομή που διήνυσε η ανθρώπινη νόηση για να φτάσει στο σημείο να μελετά με αυστηρά επιστημονικές μεθόδους την ίδια τη γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος είναι πολύ μακρά και έχει περάσει μέσα από δαιδαλώδεις λαβυρίνθους αναζήτησης. Μόνο στις αρχές του 20ού αιώνα με την θεμελίωση από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) η Κοσμολογία κατακτά πια την θέση της, περίοπτη μάλιστα, μεταξύ των σύγχρονων επιστημών.

Μία από τις σημαντικότερες προβλέψεις της ΓΘΣ είναι ότι η ύπαρξη του Σύμπαντος είναι αναγκαστικά συνυφασμένη με τη δυναμική εξέλιξή του, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την αντίληψη πολλών φυσικών και αστρονόμων των αρχών του 20ού αιώνα, μεταξύ των οποίων και ο ίδιος ο θεμελιωτής της ΓΘΣ, ο Αϊνστάιν. Το γεγονός ότι το Σύμπαν δεν είναι στατικό αποδείχθηκε πειραματικά το 1929, με την ανακάλυψη από τον αστρονόμο Εντουιν Χαμπλ ότι όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται από τον δικό μας και μεταξύ τους. Η σύγχρονη Κοσμολογία θεωρεί ότι το μοντέλο που πιο ορθά ανταποκρίνεται σε αυτήν την παρατήρηση και βασίζεται στη ΓΘΣ του Αϊνστάιν είναι αυτό της «Μεγάλης Εκρηξης», το οποίο προτάθηκε από τον αβά Ζορζ Λεμέτρ (Lemaître), φυσικό και αστρονόμο του Καθολικού Πανεπιστημίου της Λουβέν. Ο Λεμέτρ δημοσίευσε την ιδέα του το 1927, αν και με αρχικά διαφορετικό όνομα («η υπόθεση του πρωταρχικού ατόμου»). Στα μέσα του 20ού αιώνα οι Γκάμοφ, Χέρμαν και Αλφερ έκαναν συγκεκριμένες προβλέψεις που μπορούσαν να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν το μοντέλο αυτό. Η πρώτη από αυτές επιβεβαιώθηκε περίτρανα μετά από δεκαετίες, με την ανακάλυψη από τους αμερικανούς αστρονόμους Πενσίας και Γουίλσον (Penzias and Wilson) της λεγόμενης Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων. Η ακτινοβολία αυτή έχει σήμερα θερμοκρασία 2,7 Κέλβιν (-270 βαθμών Κελσίου) και είναι το «απολίθωμα» της αρχικής θερμικής ακτινοβολίας που γέμισε το Σύμπαν μετά τη Μεγάλη Εκρηξη. Η δεύτερη, που επιβεβαιώθηκε από πλειάδα παρατηρήσεων, ήταν οι ποσότητες των ελαφρών στοιχείων (υδρογόνου, δευτερίου, ηλίου και λιθίου) που δημιουργούνται μέσα στα πρώτα τρία λεπτά της «Μεγάλης Εκρηξης».

Τι υποστηρίζει λοιπόν αυτό το μοντέλο; Αν υποθέσουμε ότι το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακες (μια υπόθεση που έχει επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά), οι λύσεις των εξισώσεων της ΓΘΣ δείχνουν ότι το Σύμπαν ξεκίνησε πριν από 14 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια να διαστέλλεται από μια αρχική κατάσταση υψηλότατης πυκνότητας και θερμοκρασίας. Εξαιτίας του αρχικά πολύ μικρού μεγέθους του Σύμπαντος, τα πρώτα 10-43 του δευτερόλεπτα (ένα κλάσμα με αριθμητή μονάδα και παρονομαστή 10 με άλλα 42 μηδενικά) αυτό συμπεριφερόταν ως ένα κβαντικό σύστημα του οποίου δεν γνωρίζουμε τους φυσικούς νόμους. Στη συνέχεια η σημερινή εκδοχή της θεωρίας υποστηρίζει ότι μόλις 10-35 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη το Σύμπαν πέρασε σε μια φάση επιταχυνόμενης εκθετικής διαστολής (που ονομάζεται πληθωρισμός), η οποία διήρκεσε ως τα 10-32 δευτερόλεπτα περίπου και η οποία αύξησε δραστικά το μέγεθος του Σύμπαντος. Στη συνέχεια, η περίοδος αυτή της επιταχυνόμενης διαστολής τελειώνει και αρχίζει η «συμβατική» κοσμική ιστορία του Σύμπαντος. Το Σύμπαν εισέρχεται στην εποχή της κυριαρχίας της ύλης, η οποία διαρκεί τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του.

Είναι η παραπάνω εξιστόριση της εξέλιξης του Σύμπαντος μονοσήμαντα καθορισμένη; Οχι, διότι εξαρτάται από το συνολικό ποσό της ύλης και ενέργειας που περιέχει αλλά και από το είδος του κοσμικού ρευστού που γεμίζει το Σύμπαν. Αν περιέχει μικρό ποσό ύλης – ενέργειας (που είναι ισοδύναμες, αφού E=mc2), τότε το Σύμπαν θα διαστέλλεται επ’ άπειρον («ανοικτό» Σύμπαν). Αν περιέχει μεγάλο ποσό ύλης – ενέργειας, τότε το Σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα ώσπου να συνθλιβεί κάτω από την επίδραση της ίδιας του της βαρύτητας («κλειστό» Σύμπαν). Αν όμως περιέχει το «σωστό» ποσό ύλης-ενέργειας, που επιστημονικά ονομάζεται κρίσιμο και είναι το σύνορο μεταξύ των δύο παραπάνω περιπτώσεων, τότε το Σύμπαν θα είναι «επίπεδο», δηλαδή όχι μόνο θα διαστέλλεται επ’ άπειρον με επιβραδυνόμενο ρυθμό αλλά και θα ισχύει σ’ αυτό το γνωστό Πυθαγόρειο Θεώρημα. Μπορεί όμως στη δυναμική του Σύμπαντος να συνεισφέρει και η λεγόμενη «σκοτεινή ενέργεια», μια άγνωστης μορφής ενέργεια που οι επιπτώσεις της προσομοιάζουν με αυτό που λέμε «αντι-βαρύτητα». Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα οι απωστικές δυνάμεις της σκοτεινής ενέργειας υπερνικούν τις ελκτικές της βαρύτητας και η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται.

Τα τελευταία 10 χρόνια, με τις εκπληκτικής σημασίας παρατηρήσεις των διαταραχών θερμοκρασίας του υποβάθρου μικροκυμάτων (κυρίως με τους δορυφόρους WMAP και PLANCK), βρέθηκε ότι το Σύμπαν έχει το κρίσιμο ποσό υλο-ενέργειας και άρα είναι «επίπεδο». Σχεδόν ταυτόχρονα όμως άλλες παρατηρήσεις έδειξαν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αυτό σημαίνει ότι, πέρα από τη συνηθισμένη ύλη και ενέργεια, το Σύμπαν περιέχει και σκοτεινή ενέργεια. Εχουν προταθεί πολλά θεωρητικά μοντέλα σκοτεινής ενέργειας, ένα από τα οποία είναι και αυτό της λεγόμενης κοσμολογικής σταθεράς που εισήγαγε στη ΓΘΣ ο Αϊνστάιν το 1917. Η «σκοτεινή ενέργεια» συμμετέχει στο συνολικό ποσό της ύλης – ενέργειας του Σύμπαντος με ποσοστό που είναι περίπου ίσο με αυτό της ύλης έτσι ώστε το άθροισμά τους να ισούται ακριβώς με την κρίσιμη τιμή που πρέπει να έχει ένα «επίπεδο» Σύμπαν. Μια πιθανή λύση στη «σύμπτωση» αυτή μπορεί να αναζητηθεί στο γεγονός ότι, αν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό διαφορετικό από αυτόν που αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή, τότε η βαρυτική έλξη δεν θα μπορούσε να δράσει καταλυτικά ώστε να «καταρρεύσουν» βαρυτικά οι κοσμικές δομές και να δημιουργηθούν αστέρες, στον πυρήνα των οποίων συντίθενται τα απαραίτητα συστατικά στοιχεία για την ύπαρξη ζωής (οξυγόνο, άνθρακας κ.ά.). Επομένως, το γεγονός και μόνο ότι υπάρχουμε σημαίνει ότι το Σύμπαν πρέπει να διαστέλλεται με τον «σωστό» ρυθμό που μετράμε εμείς σήμερα! Αυτή η «κοσμική συνωμοσία» μπορεί να ερμηνευθεί αν υπάρχουν άπειρα Σύμπαντα όπου πραγματώνονται όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί παραμέτρων και εκδοχών και επομένως η ζωή αναπτύσσεται σε εκείνα όπου οι συνθήκες είναι ευνοϊκές. Αλλες ερμηνείες βασίζονται σε αυτό που ονομάζεται «Ανθρωπική Αρχή», δηλαδή ότι η ίδια η ύπαρξη της ανθρώπινης ζωής προϋποθέτει ότι το Σύμπαν περιέχει το συγκεκριμένο ποσό ύλης – ενέργειας (όπως επίσης και τις συγκεκριμένες  τιμές των σταθερών της φύσης που μετράμε, όπως π.χ. η ταχύτητα του φωτός). Αυτά βέβαια τα ερωτήματα βρίσκονται στη διεπαφή μεταξύ επιστήμης και φιλοσοφίας και θα αποτελούν λόγο έντονων συζητήσεων και διενέξεων, πιθανώς στο διηνεκές.

Ο κ. Μανώλης Πλειώνης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

Ο κ. Σπύρος Βασιλάκος είναι διευθυντής Ερευνών στο Κέντρο Ερευνών Αστρονομίας και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών της Ακαδημίας Αθηνών.