Η ΕΚΡΗΚΤΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Από τη Μεγάλη Έκρηξη στο πληθωριστικό Σύμπαν Όταν ακούμε τη φράση «Μεγάλη Έκρηξη», συνήθως φανταζόμαστε μια τρομακτική έκρηξη ύλης μέσα σε έναν ήδη υπάρχοντα, άδειο...

Original Post

Πλήρες Κείμενο:

Η εικόνα αυτή είναι εντυπωσιακή, αλλά επιστημονικά παραπλανητική. Η Μεγάλη Έκρηξη δεν συνέβη σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο του χώρου.

Ήταν η διαστολή του ίδιου του χώρου, η οποία συνέβη παντού ταυτόχρονα.

Δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα αν το Σύμπαν ξεκίνησε από μια μαθηματική μοναδικότητα. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, όταν προεκτείνεται προς το παρελθόν, οδηγεί σε μια κατάσταση εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας, όπου οι γνωστοί νόμοι της φυσικής παύουν να επαρκούν.

Για να περιγράψουμε τις πρώτες στιγμές απαιτείται πιθανότατα μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, την οποία ακόμη δεν διαθέτουμε σε ολοκληρωμένη μορφή.

Αυτό που γνωρίζουμε με μεγάλη βεβαιότητα είναι ότι πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια το παρατηρήσιμο Σύμπαν βρισκόταν σε μια εξαιρετικά θερμή και πυκνή κατάσταση.

Καθώς ο χώρος διαστελλόταν, η ύλη και η ακτινοβολία ψύχονταν.

Σχηματίστηκαν αρχικά τα στοιχειώδη σωματίδια, κατόπιν οι πυρήνες των ελαφρών στοιχείων, τα άτομα, τα πρώτα άστρα και τελικά οι γαλαξίες.

Αλλά η θεωρία της θερμής Μεγάλης Έκρηξης άφηνε ορισμένα βαθιά ερωτήματα αναπάντητα.

Γιατί το Σύμπαν εμφανίζεται σχεδόν επίπεδο; Γιατί απομακρυσμένες περιοχές του ουρανού, οι οποίες δεν θα έπρεπε να είχαν προλάβει να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, έχουν σχεδόν την ίδια θερμοκρασία; Και γιατί δεν παρατηρούμε ορισμένα υποθετικά βαριά σωματίδια, όπως τα μαγνητικά μονόπολα, τα οποία θα μπορούσαν να είχαν δημιουργηθεί σε τεράστιες ποσότητες στο αρχέγονο Σύμπαν; Η απάντηση που κυριαρχεί στη σύγχρονη κοσμολογία ονομάζεται κοσμικός πληθωρισμός. ΤΟ ΠΛΗΘΩΡΙΣΤΙΚΟ ΣΥΜΠΑΝ Το 1981 ο Αμερικανός φυσικός Alan Guth πρότεινε ότι, σε μια απειροελάχιστη χρονική περίοδο της πρώιμης ιστορίας του, το Σύμπαν υπέστη μια φάση εξαιρετικά γρήγορης, επιταχυνόμενης διαστολής.

Η ιδέα αναπτύχθηκε λίγο αργότερα από τον Andrei Linde, τον Andreas Albrecht, τον Paul Steinhardt και άλλους ερευνητές.

Ο πληθωρισμός τοποθετείται συνήθως σε χρόνους περίπου από 10⁻³⁶ έως 10⁻³² δευτερόλεπτα μετά την αρχή της κοσμικής εξέλιξης, αν και οι ακριβείς χρονικές κλίμακες εξαρτώνται από το εκάστοτε θεωρητικό μοντέλο.

Μέσα σε αυτό το ασύλληπτα μικρό χρονικό διάστημα, οι αποστάσεις αυξήθηκαν εκθετικά.

Σε πολλά μοντέλα, μια αρχική περιοχή μικρότερη ακόμη και από ένα υποατομικό σωματίδιο μπορούσε να διογκωθεί κατά έναν παράγοντα της τάξης του 10²⁶ ή και περισσότερο.

Αυτό δεν σημαίνει ότι τα σωματίδια κινούνταν τοπικά μέσα στον χώρο ταχύτερα από το φως.

Η σχετικότητα απαγορεύει σε ένα σώμα να προσπεράσει μια φωτεινή ακτίνα στην άμεση γειτονιά του.

Δεν επιβάλλει όμως αντίστοιχο όριο στον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να διαστέλλεται ο ίδιος ο χώρος. ΤΙ ΠΡΟΚΑΛΕΣΕ ΤΟΝ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟ; Η φυσική αιτία του πληθωρισμού δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί οριστικά.

Στα απλούστερα μοντέλα, η διαστολή προκαλείται από ένα υποθετικό κβαντικό πεδίο που ονομάζεται πεδίο του πληθωρισμού, ενώ το αντίστοιχο σωματίδιο αποκαλείται inflaton.

Το πεδίο αυτό θεωρείται ότι βρισκόταν σε μια κατάσταση πολύ υψηλής ενέργειας.

Η ενέργειά του είχε μια ασυνήθιστη ιδιότητα: δημιουργούσε πολύ μεγάλη αρνητική πίεση. Στη Γενική Σχετικότητα, όχι μόνο η πυκνότητα της ενέργειας αλλά και η πίεση επηρεάζουν τη βαρύτητα.

Όταν η πίεση είναι αρκετά αρνητική, η βαρυτική επίδραση γίνεται αποτελεσματικά απωστική και προκαλεί επιταχυνόμενη διαστολή.

Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού η ενεργειακή πυκνότητα παρέμενε σχεδόν σταθερή, παρότι ο όγκος του Σύμπαντος αυξανόταν με τεράστιο ρυθμό.

Δεν παραβιάζεται εδώ ένας απλός νόμος διατήρησης της ενέργειας, επειδή σε ένα δυναμικό, διαστελλόμενο Σύμπαν της Γενικής Σχετικότητας δεν υπάρχει πάντοτε ένας μοναδικός, καθολικός ορισμός της συνολικής ενέργειας. ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΟΡΙΖΟΝΤΑ Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι το αρχαιότερο ηλεκτρομαγνητικό φως που μπορούμε να παρατηρήσουμε.

Προέρχεται από την εποχή κατά την οποία το Σύμπαν είχε ηλικία περίπου 380.000 ετών και είχε ψυχθεί αρκετά ώστε να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα.

Η θερμοκρασία αυτής της ακτινοβολίας είναι σχεδόν ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις, με διαφορές της τάξης του ενός μέρους στις 100.000.

Όμως δύο πολύ απομακρυσμένες περιοχές του ουρανού φαίνεται ότι, σύμφωνα με το απλό μοντέλο της θερμής Μεγάλης Έκρηξης, δεν είχαν αρκετό χρόνο ώστε να ανταλλάξουν φως ή θερμότητα και να αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία.

Ο πληθωρισμός λύνει αυτό το πρόβλημα.

Οι περιοχές αυτές βρίσκονταν αρχικά πολύ κοντά και μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν.

Αργότερα, η πληθωριστική διαστολή τις απομάκρυνε σε τεράστιες αποστάσεις.

Έτσι, η σημερινή ομοιομορφία του Σύμπαντος θεωρείται απομεινάρι μιας εποχής κατά την οποία ολόκληρη η παρατηρήσιμη περιοχή ήταν πολύ μικρότερη και βρισκόταν σε θερμική ισορροπία. ΓΙΑΤΙ ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ ΕΙΝΑΙ ΣΧΕΔΟΝ ΕΠΙΠΕΔΟ; Η γεωμετρία του Σύμπαντος θα μπορούσε θεωρητικά να είναι θετικά καμπυλωμένη, σαν την επιφάνεια μιας σφαίρας, αρνητικά καμπυλωμένη, σαν σέλα, ή σχεδόν επίπεδη.

Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι σε πολύ μεγάλες κλίμακες η γεωμετρία του Σύμπαντος βρίσκεται εξαιρετικά κοντά στην επίπεδη.

Αυτό απαιτεί φαινομενικά πολύ λεπτή ρύθμιση των αρχικών συνθηκών.

Μια ελάχιστη αρχική απόκλιση από την κρίσιμη πυκνότητα θα είχε αυξηθεί με τον χρόνο, οδηγώντας είτε σε πολύ πρόωρη κατάρρευση είτε σε τόσο γρήγορη αραίωση ώστε να μην προλάβουν να σχηματιστούν γαλαξίες.

Ο πληθωρισμός εξομαλύνει την καμπυλότητα με τον ίδιο τρόπο που η επιφάνεια μιας τεράστιας σφαίρας φαίνεται επίπεδη όταν εξετάζουμε μόνο ένα πολύ μικρό τμήμα της.

Οι μετρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck επιβεβαίωσαν ότι η κοσμική γεωμετρία είναι πολύ κοντά στην επίπεδη. ΑΠΟ ΤΙΣ ΚΒΑΝΤΙΚΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΓΑΛΑΞΙΕΣ Η σημαντικότερη ίσως συνέπεια του πληθωρισμού είναι ότι προσφέρει έναν μηχανισμό για τη δημιουργία των αρχικών ανομοιομορφιών από τις οποίες σχηματίστηκαν οι γαλαξίες.

Στον κβαντικό κόσμο κανένα πεδίο δεν μπορεί να παραμένει απολύτως ομοιόμορφο.

Παρουσιάζει μικροσκοπικές, αναπόφευκτες διακυμάνσεις.

Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις τεντώθηκαν σε κοσμικές αποστάσεις.

Όταν ο πληθωρισμός τελείωσε, εμφανίζονταν πλέον ως μικρές διαφορές στην πυκνότητα της ύλης.

Οι ελαφρώς πυκνότερες περιοχές άσκησαν μεγαλύτερη βαρυτική έλξη και συγκέντρωσαν περισσότερη ύλη.

Με την πάροδο δισεκατομμυρίων ετών μετατράπηκαν σε γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών και στο τεράστιο κοσμικό δίκτυο που παρατηρούμε σήμερα.

Έτσι, σύμφωνα με το πληθωριστικό σενάριο, οι κοσμικές δομές έχουν κβαντική καταγωγή.

Οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και τελικά εμείς οι ίδιοι υπάρχουμε επειδή το αρχέγονο κβαντικό πεδίο δεν ήταν απολύτως ομοιόμορφο.

Ο πληθωρισμός μετέτρεψε μικροσκοπικές κβαντικές αβεβαιότητες σε αστρονομικές πραγματικότητες. ΤΟ ΤΕΛΟΣ ΤΟΥ ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΥ Ο πληθωρισμός δεν συνεχίστηκε για πάντα στην περιοχή που εξελίχθηκε στο παρατηρήσιμο Σύμπαν.

Το πληθωριστικό πεδίο έχασε σταδιακά την κατάστασή του υψηλής ενέργειας και άρχισε να ταλαντώνεται γύρω από μια σταθερότερη κατάσταση.

Η ενέργεια που ήταν αποθηκευμένη στο πεδίο μετατράπηκε σε σωματίδια και ακτινοβολία, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αναθέρμανση. Το Σύμπαν γέμισε με ένα θερμό πλάσμα στοιχειωδών σωματιδίων.

Από αυτό το σημείο αρχίζει ουσιαστικά η θερμή φάση της Μεγάλης Έκρηξης, την οποία περιγράφει με μεγάλη επιτυχία η καθιερωμένη κοσμολογία.

Επομένως, ο πληθωρισμός δεν αντικαθιστά τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Αποτελεί μια πιθανή προγενέστερη φάση, η οποία προετοίμασε τις αρχικές συνθήκες της θερμής κοσμικής εξέλιξης. ΕΧΕΙ ΑΠΟΔΕΙΧΘΕΙ Ο ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ; Ο κοσμικός πληθωρισμός δεν έχει αποδειχθεί άμεσα.

Διαθέτει όμως σημαντικές έμμεσες επιτυχίες.

Προβλέπει ένα σχεδόν επίπεδο Σύμπαν και αρχικές διαταραχές που είναι περίπου αδιαβατικές, σχεδόν Γκαουσιανές και σχεδόν —αλλά όχι απολύτως— ανεξάρτητες από την κλίμακα.

Οι παρατηρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου συμφωνούν εντυπωσιακά με αυτή τη γενική εικόνα. Το Planck μέτρησε φασματικό δείκτη των αρχέγονων διαταραχών περίπου 0,965, αντί της ακριβώς αμετάβλητης τιμής 1, όπως αναμένουν πολλές πληθωριστικές θεωρίες.

Ωστόσο, οι παρατηρήσεις δεν έχουν ακόμη προσδιορίσει ποιο συγκεκριμένο πληθωριστικό μοντέλο —εφόσον κάποιο είναι σωστό— περιγράφει τη φύση.

Μια πιθανή αποφασιστική ένδειξη θα ήταν η ανίχνευση αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων.

Τα κύματα αυτά θα μπορούσαν να έχουν δημιουργηθεί από κβαντικές διακυμάνσεις της γεωμετρίας κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού και να έχουν αφήσει ένα ιδιαίτερο αποτύπωμα πόλωσης, τους λεγόμενους τρόπους Β, στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Μέχρι σήμερα δεν έχει ανακοινωθεί αδιαμφισβήτητη ανίχνευση αυτού του αρχέγονου σήματος.

Οι παρατηρήσεις BICEP/Keck έχουν θέσει πολύ αυστηρό ανώτατο όριο στην αναλογία των αρχέγονων βαρυτικών προς τις βαθμωτές διαταραχές, περιορίζοντας σημαντικά αρκετά απλά πληθωριστικά μοντέλα. ΑΝΟΙΚΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ Παρά τις επιτυχίες του, ο πληθωρισμός αφήνει πολλά θεμελιώδη ζητήματα ανοιχτά.

Δεν γνωρίζουμε ποιο ήταν το πεδίο που τον προκάλεσε, ποια ακριβώς ήταν η δυναμική του, πώς άρχισε η πληθωριστική φάση και με ποιον ακριβώς τρόπο ολοκληρώθηκε η αναθέρμανση.

Ορισμένες εκδοχές προβλέπουν τον λεγόμενο αιώνιο πληθωρισμό: σε ορισμένες περιοχές ο πληθωρισμός σταματά και δημιουργούνται «σύμπαντα-φυσαλίδες», ενώ αλλού συνεχίζεται.

Από αυτή την ιδέα προκύπτει η υπόθεση του πολυσύμπαντος.

Πρόκειται, όμως, για θεωρητική προέκταση συγκεκριμένων μοντέλων και όχι για παρατηρησιακά επιβεβαιωμένο γεγονός.

Επιπλέον, υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός διαφορετικών πληθωριστικών μοντέλων, πολλά από τα οποία μπορούν να προσαρμοστούν στις σημερινές παρατηρήσεις.

Η μεγάλη ευελιξία της θεωρίας αποτελεί ταυτόχρονα πλεονέκτημα και πρόβλημα: δυσκολεύει την οριστική πειραματική διάκριση ανάμεσα στις διαφορετικές εκδοχές της. Η ΠΡΩΤΗ ΜΕΓΑΛΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Η «εκρηκτική διαστολή» του αρχέγονου Σύμπαντος δεν ήταν έκρηξη ύλης προς τα έξω.

Δεν υπήρχε κάποιο εξωτερικό κενό μέσα στο οποίο εκτοξεύθηκε το Σύμπαν, ούτε γνωρίζουμε κάποιο κέντρο της διαστολής.

Κάθε περιοχή του χώρου απομακρυνόταν από τις υπόλοιπες επειδή οι ίδιες οι αποστάσεις αυξάνονταν.

Ο κοσμικός πληθωρισμός προχωρά ακόμη περισσότερο: υποστηρίζει ότι, πολύ πριν από τον σχηματισμό των πρώτων ατόμων, ο χώρος γνώρισε μια εξαιρετικά σύντομη αλλά ασύλληπτα βίαιη περίοδο επιταχυνόμενης διαστολής.

Η περίοδος αυτή εξομάλυνε τη γεωμετρία του Σύμπαντος, απομάκρυνε αρχέγονα κατάλοιπα και μετέτρεψε κβαντικούς ψιθύρους σε σπέρματα γαλαξιών.

Δεν γνωρίζουμε ακόμη αν η φύση ακολούθησε ακριβώς αυτό το σενάριο.

Ο πληθωρισμός παραμένει μια ισχυρή και εξαιρετικά επιτυχημένη θεωρητική υπόθεση, όχι η τελική απάντηση για τη γέννηση του Σύμπαντος.

Οι μελλοντικές μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου και η αναζήτηση αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων ίσως αποκαλύψουν τι πραγματικά συνέβη κατά το πρώτο απειροελάχιστο κλάσμα του πρώτου δευτερολέπτου. Βιβλιογραφία Guth, A.H. (1981), ‘Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems’, Physical Review D, 23, pp. 347–356. Linde, A.D. (1982), ‘A new inflationary universe scenario’, Physics Letters B, 108, pp. 389–393. Baumann, D. (2009), ‘TASI Lectures on Inflation’, arXiv:0907.5424. Planck Collaboration (2020), ‘Planck 2018 results. X. Constraints on inflation’, Astronomy & Astrophysics, 641, A10. BICEP/Keck Collaboration (2021), ‘Improved constraints on primordial gravitational waves using Planck, WMAP, and BICEP/Keck observations through the 2018 observing season’, Physical Review Letters, 127, 151301.

Η επιλογή των posts/links γίνεται με ένα στατιστικό μοντέλο και μπορεί να μην απεικονίζει επακριβώς τη σειρά δημοτικότητάς τους