Από την αρχή του Μαχ στην σκοτεινή ενέργεια
Γιατί εισήγαγε ο Αϊνστάιν την κοσμολογική σταθερά; Η συνηθισμένη απάντηση είναι ότι ήθελε ένα στατικό σύμπαν. Αν και αυτό είναι αλήθεια – καθώς τα αστρονομικά δεδομένα της εποχής δεν έδειχναν ότι το σύμπαν διαστέλλεται – το βαθύτερο κίνητρό του είναι ακόμα πιο ενδιαφέρον και βασιζόταν σε μια θεμελιώδη αρχή που σήμερα έχει ξεχαστεί.
Η κίνηση για τον Νεύτωνα οριζόταν σε σχέση με έναν απόλυτο χώρο, ο οποίος υπάρχει ανεξάρτητα από την ύλη. Αλλά για τον φυσικό και φιλόσοφο Ερνστ Μαχ, η κίνηση (και η αδράνεια) ενός σώματος δεν θα έπρεπε να θεωρείται ιδιότητά του σε σχέση με κάποιον απόλυτο χώρο, αλλά να συνδέεται με την κατανομή της ύλης στο σύμπαν. Άλλωστε, αν εξαφανίσουμε όλη την ύλη, τι νόημα θα είχε η κίνηση; Ο Αϊνστάιν επηρεάστηκε βαθιά από αυτή την ιδέα. Επιδίωξε να ενσωματώσει αυτή την αντίληψη στην Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, έτσι ώστε η αδράνεια των σωμάτων να συνδέεται με την κατανομή της ύλης στο σύμπαν και να μην αποτελεί μια εγγενή ιδιότητα ανεξάρτητη από αυτήν. Ο ίδιος ονόμασε αυτή την απαίτηση «Αρχή του Μαχ».
Όμως, σύντομα ήρθε αντιμέτωπος με ένα πρόβλημα. Οι αρχικές εξισώσεις του επέτρεπαν λύσεις κενού: ο χωροχρόνος μπορούσε να υπάρξει ακόμα και χωρίς ύλη. Ακόμα χειρότερα, η θεωρία φαινόταν να απαιτεί συνοριακές συνθήκες στο άπειρο, εισάγοντας στον χωροχρόνο ιδιότητες που δεν καθορίζονταν από την ύλη (αφού εκεί δεν θα υπήρχε τίποτα).
Για να λύσει αυτό το πρόβλημα, το 1917 ο Αϊνστάιν εισήγαγε την κοσμολογική σταθερά (Λ). Σκοπός του ήταν να κατασκευάσει ένα χωρικά κλειστό σύμπαν, πεπερασμένο σε όγκο αλλά χωρίς όρια, αποφεύγοντας έτσι την ανάγκη συνοριακών συνθηκών στο άπειρο. Παράλληλα, ήθελε να εξασφαλίσει ότι το σύμπαν θα παρέμενε στατικό, όπως έδειχναν τα αστρονομικά δεδομένα της εποχής. Το μοντέλο του είχε θετική χωρική καμπυλότητα, ανάλογη με την τρισδιάστατη επιφάνεια μιας τετραδιάστατης σφαίρας. Όμως, η τεράστια βαρύτητα της ύλης αυτού του πεπερασμένου σύμπαντος θα προκαλούσε την κατάρρευσή του. Εδώ, η κοσμολογική σταθερά είχε μια απωστική επίδραση, η οποία εξισορροπούσε τη βαρύτητα και διατηρούσε το σύμπαν στατικό. Με αυτή την προσθήκη, δημιουργήθηκε το πρώτο σχετικιστικό μοντέλο του σύμπαντος στο σύνολό του. Η σύγχρονη κοσμολογία είχε μόλις γεννηθεί.
Υπήρχε όμως μια παγίδα. Το στατικό σύμπαν του Αϊνστάιν αποδείχθηκε ασταθές. Το 1930, ο αστροφυσικός Arthur Eddington έδειξε ότι η παραμικρή διαταραχή της ισορροπίας θα μπορούσε να οδηγήσει είτε σε διαστολή είτε σε συστολή του σύμπαντος. Ωστόσο, το μεγαλύτερο χτύπημα είχε έρθει από τον Willem de Sitter, ήδη από το 1917, την χρονιά δηλαδή που εισήχθη η σταθερά. Ο de Sitter απέδειξε μαθηματικά ότι ακόμα και με την κοσμολογική σταθερά, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν εξακολουθούσαν να επιτρέπουν λύσεις χωρίς ύλη. Πιο συγκεκριμένα, έδειξε ότι ακόμη και χωρίς ύλη και ακτινοβολία, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν επέτρεπαν την ύπαρξη ενός μη επίπεδου χωροχρόνου, χάρη στην κοσμολογική σταθερά. Ο χωροχρόνος αυτός που σήμερα είναι γνωστός ως χωροχρόνος de Sitter, μπορεί να περιγραφεί και ως διαστελλόμενος παρά την πλήρη απουσία ύλης.
Λίγα χρόνια αργότερα, το 1922, ο Alexander Friedmann έδειξε ότι οι εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας επιτρέπουν και δυναμικά σύμπαντα, τα οποία διαστέλλονται ή συστέλλονται. Το 1927, ο Georges Lemaitre ανέπτυξε ένα διαστελλόμενο κοσμολογικό μοντέλο, συνδέοντας την θεωρία με τις αστρονομικές παρατηρήσεις. Δύο χρόνια αργότερα, το 1929, ο Edwin Hubble επιβεβαίωσε παρατηρησιακά ότι το σύμπαν διαστέλλεται, γεγονός που οδήγησε τον Αϊνστάιν να εγκαταλείψει οριστικά το στατικό του μοντέλο και την κοσμολογική σταθερά.
Ο Αϊνστάιν αμφισβήτησε αρχικά τη φυσική σημασία της λύσης του de Sitter και προσπάθησε να εντοπίσει προβλήματα στην μαθηματική της διατύπωση. Tελικά όμως, αποδείχθηκε ότι οι εξισώσεις του επέτρεπαν την ύπαρξη χωροχρόνου ανεξάρτητα από την ύλη. Η κοσμολογική σταθερά είχε αποτύχει να εκπληρώσει τον βαθύτερο, φιλοσοφικό της σκοπό.
Και εδώ ακριβώς έγκειται η ειρωνεία της ιστορίας. Η κοσμολογική σταθερά, που εισήχθη για έναν σκοπό τον οποίο τελικά δεν κατάφερε να εκπληρώσει, έμελλε να αποδειχθεί καθοριστική για την περιγραφή του δικού μας σύμπαντος. Το 1998, οι παρατηρήσεις μακρινών σουπερνόβα τύπου Ia αποκάλυψαν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Έτσι, η κοσμολογική σταθερά επανήλθε στο προσκήνιο, αυτή τη φορά ως η απλούστερη εξήγηση για αυτό που σήμερα αποκαλούμε σκοτεινή ενέργεια.
Η φιλοσοφική αρχή που ο Αϊνστάιν επιχείρησε να ενσωματώσει στη θεωρία του, χωρίς τελικά να το κατορθώσει, τον οδήγησε να εισαγάγει έναν όρο που έμελλε να αποκτήσει κομβική σημασία στην σύγχρονη κοσμολογία. Εντέλει ακόμα και οι «λανθασμένες» ή ανεπιτυχείς θεωρητικές εμμονές μπορούν να οδηγήσουν σε σπουδαίες επιστημονικές ανακαλύψεις.
Διαβάστε σχετικά:
1. Το λάθος του Einstein: νόμισε ότι έκανε λάθος
2. Το πιο ενοχλητικό πρόβλημα στη Φυσική συμβολίζεται με το γράμμα Λ και ονομάζεται κοσμολογική σταθερά
Πηγή: https://x.com/OMinazzoli/status/2117995536213225779
Κατηγορίες:ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ, ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑ, ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ
Σχολιάστε