Γιατί λέμε το Πολυσύμπαν και όχι απλά το Σύμπαν μας

Posted on 29/10/2011

0


Image credit: Molly Read for the University of Wisconsin-Madison

Πρώτος ο Hubble το 1920 και στη συνέχεια μέχρι σήμερα ένας μεγάλος αριθμός αστρονόμων, με ακριβέστατες παρατηρήσεις μακρινών γαλαξιών, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν μας διαστέλλεται και ψύχεται και οι γαλαξίες που περιέχονται σ’ αυτό απομακρύνονται συνεχώς μεταξύ τους.

Αλλά τι σημαίνει αυτό για το παρελθόν μας;
Αν τώρα το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, αυτό σημαίνει ότι στο παρελθόν είχε μικρότερο μέγεθος και ήταν λιγότερο ψυχρό – με άλλα λόγια ήταν πιο πυκνό και πιο θερμό.

Τώρα – αν σκέπτεστε σαν επιστήμονας – δεν σας αρκεί να γνωρίζετε απλά ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Θα θέλατε επίσης να ξέρετε – εφόσον το Σύμπαν διαστέλλεται – πρώτον γιατί διαστέλλεται και δεύτερον πόσο γρήγορα διαστέλλεται.
Και η απάντηση είναι πραγματικά απλή. Αν η γενική θεωρία της σχετικότητας είναι η ορθή θεωρία της βαρύτητας, τότε ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος καθορίζεται από το πιο είδος ενέργειας κυριαρχεί στο Σύμπαν μας.
Στο σχετικά πρόσφατο παρελθόν αλλά και στο παρόν, το Σύμπαν μας περιέχει μεσοαστρική ύλη, γαλαξίες, άστρα, πλανήτες και όλα τα άλλα αστρικά αντικείμενα που έχουν ανακαλυφθεί. Τον περισσότερο χρόνο της «ζωής του» το Σύμπαν κυριαρχείτο από ύλη, είτε τη γνωστή μας ύλη, από την οποία είμαστε κι εμείς φτιαγμένοι, είτε από τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη.
Και όταν έχουμε ένα Σύμπαν που κυριαρχείται από την ύλη, τότε διαστέλλεται με τον τρόπο που περιγράφεται στο παρακάτω σχήμα

Image credit: scienceblogs.com

Σημειώστε ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος, Η, μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν ήταν πιο θερμό, πιο πυκνό και διαστελλόταν γρηγορότερα κατά το παρελθόν.
Αλλά αν πάμε πολύ πίσω στο παρελθόν, εξαιτίας του γεγονότος ότι το Σύμπαν ήταν θερμότερο και πυκνότερο, σε κάποια στιγμή θα ήταν αδύνατον να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα. Υπάρχει και κάτι άλλο που συμβαίνει, και είναι φανερό αν το σκεφτείτε λιγάκι.
Αν το Σύμπαν στο παρελθόν ήταν θερμότερο, αυτό σημαίνει ότι η ακτινοβολία στο Σύμπαν θα ήταν περισσότερο ενεργητική.

Και αν συνεχίσουμε να πηγαίνουμε προς τα πίσω, η ενέργεια από την ακτινοβολία γίνεται μεγαλύτερη από την ενέργεια της ύλης. Αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με διαφορετικό ρυθμό.
Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε πως διαστέλλεται το Σύμπαν όταν αυτό κυριαρχείται από την ακτινοβολία:

Image credit: scienceblogs.com

Διαστέλλεται ποιοτικά με παρόμοιο τρόπο όπως όταν κυριαρχείται από την ύλη, αλλά οι εξισώσεις είναι λίγο διαφορετικές.
Δεν μπορούμε βέβαια να φτάσουμε πηγαίνοντας πίσω παρελθόν του Σύμπαντος, στη χρονική στιγμή μηδέν – την στιγμή της δημιουργίας – διότι η θερμοκρασία που δίνουν οι εξισώσεις γίνεται άπειρη και φτάνουμε σε ένα σημείο που στα μαθηματικά ονομάζεται ανωμαλία (ή ιδιομορφία), στο οποίο δεν μπορούμε να δώσουμε καμία φυσική ερμηνεία. Οι περιορισμοί τίθενται και από τις ακριβέστατες παρατηρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Υπάρχει όμως μια χρονική στιγμή στο παρελθόν, που μετά από αυτή η σημερινή φυσική μπορεί να περιγράψει το σύμπαν. Τι υπήρχε λοιπόν πριν από την εποχή του θερμού και πυκνού Σύμπαντος της ύλης και της ακτινοβολίας;

Image credit: Ned Wright.

Το καλύτερο που μπορούμε να πούμε είναι ότι υπήρξε μια περίοδος όπου το Σύμπαν μεγάλωσε πολύ απότομα – πρόκειται γι αυτό που οι κοσμολόγοι αποκαλούν πληθωρισμό.
O κοσμικός πληθωρισμός έκανε το Σύμπαν παντού ομοιόμορφο και τη γεωμετρία του επίπεδη και γενικότερα δημιούργησε τις αρχικές συνθήκες που οδήγησαν στο Σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα.
Αντί το Σύμπαν να είναι γεμάτο από ύλη και ακτινοβολία θα μπορούσε να κυριαρχείται από την ενέργεια του κενού.
Όταν ένα Σύμπαν κυριαρχείται από την ενέργεια του κενού, η εξέλιξη της διαστολής του είναι πολύ, μα πολύ διαφορετική:

Image credit: scienceblogs.com

Παρατηρείστε ότι ό ρυθμός διαστολής δεν μειώνεται με την πάροδο του χρόνου !
Το Σύμπαν σ’ αυτή την περίπτωση διαστέλλεται εκθετικά και πολύ σύντομα γίνεται googols (1 googol = 10100) φορές μεγαλύτερο από ολόκληρο το παρατηρήσιμο Σύμπαν !
Πόσο μεγάλο είναι το μη παρατηρήσιμο Σύμπαν; Υπάρχουν μέρη του Σύμπαντος που βρίσκονται πέρα από 46,5 εκατομμύρια έτη φωτός από εμάς; Ναι, απλά εμείς δεν μπορούμε να δούμε το φως τους !
Τι είναι αυτό που καθορίζει το πόσο διογκώνεται το πληθωριστικό Σύμπαν;
Ας ρίξουμε μια ματιά στην καθιερωμένη εικόνα του πληθωρισμού:

Ο κατακόρυφος άξονας παριστάνει ενέργεια. Αυτή είναι κυρίως η εγγενής ενέργεια του κενού χώρου. Προφανώς το ποσό της ενέργειας του κενού χώρου σήμερα είναι απειροελάχιστο: κάπου 28 τάξεις μεγέθους μικρότερο απ’ ότι ήταν στην εποχή του πληθωρισμού !
Αν θέλουμε το Σύμπαν να διασταλεί πληθωριστικά, τόσο ώστε να γίνει επίπεδο και ομοιόμορφο όπως το παρατηρούμε σήμερα, τότε πρέπει το στάδιο του πληθωρισμού να διαρκέσει αρκετό χρόνο. Όσον αφορά την παραπάνω γραφική παράσταση, αυτό σημαίνει ότι απαιτείται να ξεκινήσουμε από το επίπεδο τμήμα της καμπύλης.

Έτσι μπορούμε να κινηθούμε αρκετά αργά κατά μήκος της καμπύλης, έτσι ώστε ο πληθωρισμός να παράγει το Σύμπαν μας. Σε μια μεταγενέστερη χρονική στιγμή, περιμένουμε να αρχίσει το γλίστρημα προς την κοιλάδα:

Και τελικά να έχουμε την πτώση προς τα κάτω. Σ’ αυτό το τμήμα της πτώσης προς το βαθούλωμα, πραγματοποιείται η μετατροπή της ενέργειας του κενού σε ύλη, ακτινοβολία και οτιδήποτε άλλο περιέχεται στην Μεγάλη Έκρηξη που δημιούργησε το Σύμπαν μας.
Και αν η ιδέα του πληθωρισμού είναι ορθή, τότε τα παραπάνω συνέβησαν σίγουρα στο Σύμπαν μας πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτό το πεδίο που δημιουργεί τον πληθωρισμό – οποιαδήποτε κι αν είναι η φύση του – είναι πιθανόν ένα κβαντικό πεδίο/σωμάτιο, όπως και οτιδήποτε άλλο στο Σύμπαν.
Αλλά ας δούμε τι συμβαίνει σε ένα ηλεκτρόνιο – ένα πολύ καλά μελετημένο κβαντικό σωματίδιο – σε κάτι που μπορούμε να μελετήσουμε, όπως σε ένα απλό άτομο. Δείτε το animation που ακολουθεί:

Όταν πρόκειται για ένα κβαντικό σωματίδιο, η κυματοσυνάρτησή του απλώνεται με την πάροδο του χρόνου, καταλήγοντας αυθόρμητα σε  μια υπέρθεση των επιτρεπτών καταστάσεων.  Λοιπόν αυτό ισχύει και για το πληθωριστικό πεδίο παραπάνω. Όταν του επιτρέπουμε να απλωθεί με την πάροδο του χρόνου, ιδού τι παίρνουμε

Παίρνουμε αυτό το τμήμα του κβαντικού πεδίου, που αν κυλίσει αρκετά αργά, θα απλωθεί προς τα πίσω έως εκεί απ’ όπου ξεκίνησε, μέχρι μια κατάσταση στην οποία θα συνεχίσει να διαστέλλεται πληθωριστικά ! Έτσι, ας θυμηθούμε την κλασική εικόνα του πληθωρισμού που είδαμε παραπάνω:

Image credit: scienceblogs.com

Σ’ αυτή την εικόνα ο πληθωρισμός συμβαίνει για κάποιο χρόνο και μετά τελειώνει παντού απότομα.
Αλλά αν αφήσουμε τον πληθωρισμό να είναι ένα κβαντικό πεδίο – όπως φυσικά πρέπει να είναι – θα πρέπει να υπολογίσουμε πόσο γρήγορα εξαπλώνεται συναρτήσει του πόσο διογκώνεται το Σύμπαν, συναρτήσει του πόσο γρήγορα κυλάει προς την κοιλάδα (βλέπε το αμέσως προηγούμενο σχήμα).
Σε περίπτωση που κυλά στη κατωφέρεια πάρα πολύ γρήγορα ή διαστέλλεται (πληθωριστικά) πολύ αργά, δεν υπάρχει αρκετός χρόνος για απλωθεί σε αρκετές περιοχές του Σύμπαντος. Όμως αν κυλά αρκετά αργά, «φουσκώνει» αρκετά γρήγορα και απλώνεται γρηγορότερα, τότε μπορεί να προκύψει η εξής διαδικασία:
Θα ξεκινήσουμε με μια περιοχή πληθωρισμού, που στο παρακάτω σχήμα φαίνεται με μπλε χρώμα. Αν το δυναμικό κυλάει αρκετά κοντά στην κοιλάδα, ο πληθωρισμός θα τελειώσει και αυτό επισημαίνεται με ένα κόκκινο Χ. Αλλά αν συνεχίσει ο πληθωρισμός, το μπλε χρώμα μεγαλώνει δημιουργώντας μεγαλύτερο πληθωριστικό χωρόχρονο, προτού επισημανθεί κι αυτό με κόκκινο Χ.

Image credit: scienceblogs.com

Παρά το γεγονός ότι ο πληθωρισμός θα τελειώσει σε περισσότερο από το 50% του Σύμπαντος σε κάθε δεδομένη στιγμή, επειδή το κβαντικό πεδίο απλώνεται προς τα πίσω μέχρι την αρχή της κοιλάδας, ο πληθωρισμός τελικά θα έχει αιώνια διάρκεια. Και αυτό ισχύει για κάθε μοντέλο πληθωρισμού «αργής κύλισης» που έχει επινοηθεί.
Με άλλα λόγια, υπάρχουν περιοχές του Σύμπαντος που μεγάλωσαν πληθωριστικά στο παρελθόν, όπου η ενέργεια του κενού μετατράπηκε σε ακτινοβολία και ύλη, και αυτά τα τμήματα του Σύμπαντος έχουν μια ιστορία που μοιάζει πολύ με τη δική μας.
Αλλά μεταξύ αυτών των περιοχών υπάρχουν άλλα τμήματα τα οποία μεγαλώνουν ακόμη πληθωριστικά και ούτω καθεξής και ούτω καθεξής….
 Και για τον λόγο αυτό λέμε υπάρχει ένα Πολυσύμπαν και όχι μόνο το δικό μας Σύμπαν.
Στην παραπάνω εκδοχή της ιστορίας του Πολυσύμπαντος υποτίθεται ότι οι θεμελιώδεις σταθερές είναι οι ίδιες σε όλες τις διαφορετικές περιοχές του, και ότι τα άλλα σύμπαντα έχουν τους ίδιους νόμους φυσικής – με το ίδιο κβαντικό κενό σε όλα – όπως στο δικό μας
Αλλά τα περισσότερα που ακούμε σχετικά με το Πολυσύμπαν σήμερα σχετίζονται με τη θεωρία των χορδών, που έχει προχωρήσει πολύ πιο πέρα από την εκδοχή που παρουσιάστηκε εδώ. Μπορεί αυτές οι θεωρίες να εμφανίζουν μια ολόκληρη σειρά από δυσκολίες, ανοίγουν όμως καινούργιες και συναρπαστικές λεωφόρους στην φυσική.
Η βασική ιδέα που περιγράφηκε εδώ δεν είναι η τελική ιστορία, αλλά μια απλή εφαρμογή της κβαντομηχανικής στο καλύτερο μοντέλο του πρώιμου σύμπαντος που διαθέτουμε. Και αυτό που παίρνουμε είναι ένα Σύμπαν που στις περισσότερες των περιοχών του συνεχίζεται ο πληθωρισμός: το Πολυσύμπαν μας
ΠΗΓΗ: Ethan Siegel, scienceblogs.com