Oι κοσμολογικές θεωρίες κατατάσσονται γενικά σε τρεις κατηγορίες:
(1) Τις θεωρίες σταθερής κατάστασης, που υποστηρίζουν ότι το σύμπαν παραμένει αιώνια αμετάβλητο.
(2) Τις θεωρίες, όπως η Μεγάλη Έκρηξη, συμφωνα με τις οποίες το σύμπαν εμφανίστηκε ξαφνικά κάποια συγκεκριμένη στιγμή του παρελθόντος και έκτοτε εξελίσσονται.
(3) Και τις κυκλικές θεωρίες που περιγράφουν επαναλαμβανόμενες περιόδους δημιουργίας, εξέλιξης και καταστροφής του σύμπαντος, επαναλήψεις με σταθερές ή μεταβαλλόμενες περιόδους.

Σχεδόν όλες οι θρησκευτικές, φιλοσοφικές και επιστημονικές ερμηνείες του σύμπαντος που διατυπώθηκαν από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα κινούνται πάνω-κάτω στους τρεις αυτούς βασικούς άξονες.

Οι υποστηρικτές του αναπηδούντος σύμπαντος (bouncing universe) υποστηρίζουν ότι ο κόσμος μας δεν προέκυψε μόνος του από το τίποτα. Αντιθέτως, ένα προηγούμενο σύμπαν συρρικνώθηκε στον εαυτό του και στη συνέχεια ξανα-αναπτύχθηκε στο σύμπαν στο οποίο ζούμε. Αυτό μπορεί να συνέβη μία φορά ή, σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες, άπειρες φορές.

Όμως, η ευρέως αποδεκτή θεωρία για την ιστορία του σύμπαντος λέει ότι ξεκίνησε με μια μεγάλη έκρηξη, την οποία ακολούθησε μια περίοδος ταχείας διαστολής, γνωστή ως κοσμικός πληθωρισμός. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, το φως που απέμεινε από την εποχή που το σύμπαν ήταν θερμό και νέο, η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, θα πρέπει να φαίνεται σχεδόν η ίδια ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που την παρατηρούμε. Αλλά τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck, το οποίο χαρτογράφησε την αρχέγονη κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία από το 2009 έως το 2013, έδειξαν απροσδόκητες διακυμάνσεις. Είναι ανούσιες στατιστικές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία του σύμπαντος ή είναι σημάδια ότι κάτι άλλο ενδιαφέρον συμβαίνει;

Μια πιθανότητα είναι ότι οι ανωμαλίες να υποδηλώνουν ότι το σύμπαν δεν προέκυψε από το τίποτα. Αντιθέτως, προέκυψε από την κατάρρευση και αναπήδηση ενός προηγούμενου σύμπαντος. Μια αναπήδηση που δημιούργησε τον χώρο και τον χρόνο που βιώνουμε σήμερα.

Τα μοντέλα του σύμπαντος που αναπηδούν μπορούν να εξηγήσουν αυτά τα μοτίβα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας και να εξηγήσουν τις επίμονες αμφιβολίες σχετικά με την καθιερωμένη περιγραφή της προέλευσης και της εξέλιξης του σύμπαντος. Συγκεκριμένα, το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης του σύμπαντος ξεκινά με μια ιδιομορφία (singularity) – ένα σημείο που εμφανίστηκε από το τίποτα και περιείχε τον σπόρο του μετέπειτα σύμπαντος, σε μια περιοχή τόσο μικρή που ουσιαστικά δεν είχε καθόλου μέγεθος. Η ιδέα είναι ότι το σύμπαν μας προέκυψε από την ιδιομορφία, και μετά την πληθωριστική διαστολή, εξελίχθηκε στο διαστελλόμενο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα. Αλλά οι ιδιομορφίες είναι προβληματικές δεδομένου ότι η φυσική και τα μαθηματικά δεν έχουν νόημα όταν όλα είναι συμπυκνωμένα σε ένα σημείο που είναι απείρως μικρό. Πολλοί φυσικοί τις απεχθάνονται.

Ένα μοντέλο αναπηδήσεων που αποτρέπει τις ιδιομορφίες και κάνει τις ανωμαλίες της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου λιγότερο ανώμαλες είναι γνωστό ως κβαντική κοσμολογία βρόχων (loop quantum cosmology-LQC). Βασίζεται σε μια θεωρία που στοχεύει στην ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας, γνωστής ως κβαντική βαρύτητα βρόχων, σύμφωνα με την οποία η δύναμη της βαρύτητας μειώνεται σε πολύ μικρές αποστάσεις αντί να τείνει στο άπειρο. «Τα κοσμολογικά μοντέλα που εμπνέονται από την κβαντική βαρύτητα βρόχου μπορούν να λύσουν ορισμένα προβλήματα», λέει η κοσμολόγος Ruth Durrer από το πανεπιστήμιο της Γενεύης, «ειδικά το πρόβλημα της ιδιομορφίας». Η Ruth Durrer συμμετέχει σε μια από τις δύο νέες μελέτες σχετική με σύμπαντα που αναπηδούν, όπου αναζητούνται αστρονομικά σημάδια τέτοιων μοντέλων.

Σε ένα μοντέλο LQC, ένας πρόδρομος του σύμπαντος μπορεί να συστέλλεται υπό τη δύναμη της βαρύτητας μέχρι να γίνει εξαιρετικά συμπαγής. Μέχρι που τελικά ‘αναλαμβάνει’ η κβαντομηχανική. Αντί να καταρρεύσει σε μια μοναδικότητα, το σύμπαν θα αρχίσει πάλι να διαστέλλεται και μπορεί ακόμη να περάσει από μια πληθωριστική φάση, όπως πολλοί κοσμολόγοι πιστεύουν ότι έκανε το δικό μας σύμπαν.

Αν είχε συμβεί κάτι τέτοιο, λέει ο φυσικός Ivan Agullo από το παναεπιστήμιο της Λουιζιάνα, θα έπρεπε να αφήσει κάποιο σημάδι στο σύμπαν. Ο Agullo πρότεινε ότι θα μπορούσε να εμφανίζεται ένα τέτοιο χαρακτηριστικό στα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας, το επονομαζόμενο «bispectrum (διφάσμα;)» – ένα μέτρο του τρόπου με τον οποίο διαφορετικά τμήματα του σύμπαντος θα είχαν αλληλεπιδράσει στο σενάριο της αναπήδησης. Το bispectrum δεν θα ήταν εμφανές σε μια εικόνα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, αλλά θα εμφανιζόταν στις αναλύσεις των συχνοτήτων της αρχέγονης μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

«Εφόσον παρατηρηθεί ένα τέτοιο σήμα», λέει ο Agullo, «θα αποτελούσε ένδειξη για την ύπαρξη αναπήδησης αντί για έκρηξη». Η ομάδα του Agullo είχε υπολογίσει παλαιότερα πως θα φαινόταν το διφάσμα λίγο μετά την κοσμική αναπήδηση. Η Durrer και οι συνάδελφοί της προχώρησαν περαιτέρω τον υπολογισμό, αλλά όταν τον συνέκριναν με τα σημερινά δεδομένα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck, δεν βρήκαν κανένα αξιόλογο σημάδι αποτύπωσης διφασμάτων.

Αν και πολλά άλλα κοσμολογικά μοντέλα αναπήδησης εξακολουθούν να είναι βιώσιμα, η αποτυχία εύρεσης του διφάσματος σημαίνει ότι τα μοντέλα που βασίζονται στην κβαντική κοσμολογία βρόχων (LQC) για την ερμηνεία των ανωμαλιών της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μπορούν να αποκλειστούν. Στην ουσία είναι ένα θλιβερό νέο για τον Agullo, ο οποίος έλπιζε να βρει συγκεκριμένες αποδείξεις για ένα σύμπαν που αναπηδά.

Αποκλείοντας στα δεδομένα του Planck σημάδια από μια κοσμική αναπήδηση που βασίζεται στην LQC, σημαίνει ότι οι ανωμαλίες της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου παραμένουν ανεξήγητες. Αλλά παραμένει ένα ακόμα μεγαλύτερο κοσμικό ερώτημα: είχε το σύμπαν κάποια αρχή; Όσον αφορά τους υποστηρικτές της Μεγάλης Έκρηξης, είχε. Αλλά μια τέτοια παραδοχή μας αφήνει στα χέρια την καυτή πατάτα της ανεξιχνίαστης ιδιομορφίας (singularity) από την οποία ξεκίνησαν τα πάντα.

Εναλλακτικά, σύμφωνα με τις θεωρίες των λεγόμενων κυκλικών κοσμολογιών, το σύμπαν είναι αθάνατο και περνά από ατελείωτες αναπηδήσεις. Αν και ένα σύμπαν που αναπηδά μπορεί να βιώσει έναν ή περισσότερους κύκλους, ένα πραγματικά κυκλικό σύμπαν δεν έχει αρχή και τέλος. Αποτελείται από μια σειρά αναπηδήσεων που επαναλαμβάνονται για άπειρο αριθμό κύκλων και θα συνεχίσουν επ’ άπειρον. Κι επειδή ένα τέτοιο σύμπαν δεν έχει αρχή, δεν υπάρχει μεγάλη έκρηξη και καμία ιδιομορφία.

Η μελέτη που πραγματοποίησαν οι Durrer και Delgado δεν αποκλείει τις αθάνατες κυκλικές κοσμολογίες. Πολλές θεωρίες περιγράφουν ένα τέτοιο σύμπαν που αναπηδά με τρόπους που θα ήταν δύσκολο ή αδύνατο να διακριθεί από το μοντέλο «μεγάλη έκρηξη συν πληθωρισμό» εξετάζοντας τα δεδομένα του τηλεσκοπίου Planck.

Αλλά ένα κρίσιμο ελάττωμα παραμονεύει στην ιδέα ενός αιώνια κυκλικού σύμπαντος, σύμφωνα με τον φυσικό William Kinney από το πανεπιστήμιο στο Buffalo, ο οποίος συμμετέχει στη δεύτερη πρόσφατη μελέτη. Αυτό το ελάττωμα είναι η εντροπία, η οποία συσσωρεύεται καθώς ένα σύμπαν αναπηδά. Αν και συχνά θεωρείται ως το μέτρο της αταξίας ενός συστήματος, η εντροπία σχετίζεται με την ποσότητα ωφέλιμης ενέργειας του συστήματος: όσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία, τόσο λιγότερη ενέργεια είναι διαθέσιμη. Αν το σύμπαν αυξάνει σε εντροπία και αταξία με κάθε αναπήδηση, η ποσότητα της ωφέλιμης ενέργειας που είναι διαθέσιμη μειώνεται κάθε φορά. Σε αυτή την περίπτωση, το σύμπαν θα είχε μεγαλύτερες ποσότητες ωφέλιμης ενέργειας σε προηγούμενες εποχές. Αν πάμε αρκετά πίσω στο ‘παρελθόν’, θα φτάσουεμ σε μια μεγάλη έκρηξη-ξεκίνημα, με μια απείρως μικρή ποσότητα εντροπίας, και στη συνέχεια ένα σύμπαν που διαδοχικά υφίσταται κυκλικές αναπηδήσεις. (Αν αναρωτιέστε πώς αυτό το σενάριο δεν παραβιάζει το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, μιλάμε για την διαθέσιμη ενέργεια. Αν και η συνολική ποσότητα ενέργειας στον κόσμο παραμένει σταθερή, η ποσότητα που μπορεί να παράξει ωφέλιμο έργο μειώνεται καθώς αυξάνεται η εντροπία.)

Τα νέα κυκλικά μοντέλα ξεπερνούν το πρόβλημα, λέει ο Kinney, απαιτώντας το σύμπαν να διαστέλλεται περισσότερο σε κάθε κύκλο. Η διαστολή επιτρέπει στο σύμπαν να εξομαλυνθεί, μειώνοντας την εντροπία πριν καταρρεύσει ξανά. Αν και αυτή η εξήγηση λύνει το πρόβλημα της εντροπίας, οι William Kinney και Nina Stein υπολόγισαν στην πρόσφατη δημοσίευσή τους ότι η ίδια η λύση εξασφαλίζει ότι το σύμπαν δεν είναι αθάνατο. «Αισθάνομαι ότι έχουμε αποδείξει κάτι θεμελιώδες για το σύμπαν, κι αυτο είναι ότι το σύμπαν είχε μια αρχή», δήλωσε ο Kinney. Αυτό σημαίνει ότι συνέβη μια μεγάλη έκρηξη σε κάποιο σημείο, ακόμα κι αν αυτό το γεγονός συνέβη πριν από πολλά σύμπαντα που αναπηδούν, κάτι που με τη σειρά του υποδηλώνει ότι χρειάζεται εξαρχής μια ιδιομορφία για να ξεκινήσουν όλα αυτά.

Η εργασία του Kinney είναι η τελευταία στη συζήτηση για τα κυκλικά σύμπαντα, αλλά οι υποστηρικτές ενός σύμπαντος χωρίς αρχή ή τέλος δεν έχουν απαντήσει ακόμη με κάποια επιστημονική δημοσίευση. Δύο κορυφαίοι υποστηρικτές του κυκλικού σύμπαντος, οι αστροφυσικοί Paul Steinhardt του πανεπιστημίου Πρίνστον και Anna Ijjas του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, αρνήθηκαν να σχολιάσουν αυτό το άρθρο. Ωστόσο, μπορεί σύντομα να ακούσουμε κάποια πιθανή λύση που να αντιπαρατίθεται στην ανάλυση του Kinney.

Ο κοσμολόγος Nelson Pinto-Neto του Κέντρου Φυσικών Ερευνών της Βραζιλίας, ο οποίος έχει μελετήσει την αναπήδηση και άλλα κυκλικά μοντέλα, συμφωνεί ότι τα δεδομένα του Planck πιθανότατα αποκλείουν μια αναπήδηση σύμφωνα με την κβαντική κοσμολογία βρόχων, αλλά είναι πιο αισιόδοξος στο ζήτημα ενός κυκλικού σύμπαντος. Σύμφωνα με τον Nelson: «Η ύπαρξη είναι γεγονός. Είμαστε όλοι εδώ και τώρα. Η ανυπαρξία είναι μια αφαίρεση του ανθρώπινου μυαλού. Αυτός είναι ο λόγος που πιστεύω ότι ένα [κυκλικό σύμπαν], που πάντα υπήρχε, είναι πιο απλό από αυτό που έχει δημιουργηθεί ξαφνικά. Ωστόσο, ως επιστήμονας, πρέπει να είμαι ανοιχτός και στα δύο ενδεχόμενα».

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του James Riordon στο περιοδικό Scientific American με τίτλο: ‘The Universe Began with a Bang, Not a Bounce, New Studies Find‘

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ, ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑ

Ετικέτες: PHYSICS