Μια λογική ιστορία του σύμπαντος

Καθώς κοιτάζουμε πίσω στο παρελθόν, η αντίληψή μας για τον χρόνο, όπως αυτή αναθεωρήθηκε και τελειοποιήθηκε δύο φορές από τον Αϊνστάιν, δεν κινδυνεύει – τουλάχιστον μέχρι ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Επομένως, μπορούμε να προσπαθήσουμε να ανακατασκευάσουμε την ιστορία του σύμπαντος μέχρι τις πρώτες-πρώτες απαρχές του. Διαθέτουμε αξιόπιστες και καλά κατανοητές ενδείξεις για το πώς ήταν το σύμπαν τρία λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μπορούμε να φανταστούμε διάφορες εποχές από αυτή τη στιγμή και ύστερα, και μπορούμε να κοιτάξουμε τουλάχιστον μερικές δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον.

Καθώς κοιτάζουμε όλο και πιο πίσω στο χρόνο και πιο πίσω στον χρόνο, τα ορατά σώματα – άστρα, γαλαξίες, σωματίδια σκόνης – στριμώχνονται σε ολοένα και μικρότερο χώρο. Σε αρκετά πρώιμες εποχές, οι πλανήτες, τα άστρα, γαλαξίες διασπώνται σε σύνολα ατόμων. Καθώς συμπιέζονται, θερμαίνονται. Όσο το σύμπαν μικραίνει (σε τούτο το «βίντεο» που διατρέχει αντίστροφα την ιστορία του), γίνεται ολοένα και πιο θερμό.

Φέρνει ίλιγγο το να γυρίζουμε το ρολόι προς τα πίσω με τούτο τον τρόπο. Μια πιο εύλογη προσέγγιση αναπτύχθηκε από τον Τζωρτζ Γκάμοφ, έναν Ρώσο εμιγκρέ φυσικό, και τον μεταπτυχιακό φοιτητή του Ραλφ Άλφερ, λίγο μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Ο Γκάμοφ διέφυγε από την σταλινική καταπίεση στη Σοβιετική Ένωση πηγαίνοντας πρώτα στη Γαλλία το 1933 και το επόμενο έτος στις ΗΠΑ. Είχε αξιοσημείωτη συμβολή στο πεδίο της πυρηνικής φυσικής. Υπήρξε επιτυχημένος συγγραφέας βιβλίων επιστημονικής εκλαϊκευσης και γνωστός για τις φάρσες του. Ιδιαίτερα σημαντικά όμως ήταν τα βήματα που ακολούθησε ώστε να μεταφέρει την κοσμολογία του Αϊνστάιν σε εποχές σε εποχές πριν από τον σχηματισμό των αστέρων και των πλανητών. Με αυτόν τον τρόπο προέκυψε μαι εύλογη ιστορία του σύμπαντος που έφτανε μέχρι εξαιρετικά πρώιμους χρόνους, καθώς και η δυνατότητα παρατηρησιακών ελέγχων πολύ πέραν της διαστολής που παρατήρησε ο Χαμπλ.

Οι Γκάμοφ και Άλφερ ξεκίνησαν κάνοντας την παραδοχή ότι υπήρξε μια στιγμή, ελάχιστα μόλις δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, κατά την οποία το σύμπαν ήταν εξαιρετικά θερμό. Οι θερμοκρασίες που υπέθεσαν ότι επικρατούσαν ήταν εκατομμύρια φορές υψηλότερες από εκείνες στον κέντρο του Ήλιου.(…)

Οι Γκάμοφ και Άλφερ (…) φαντάστηκαν ένα σύμπαν αποτελούμενο από πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια και φωτόνια (α σωματίδια που αποτελούν το φως) που κινούνται ανεξάρτητα και σχεδόν ελέυθερα. Φαντάστηκαν θερμοκρασίες περίπου 10¹⁵ βαθμών (δεν έχει μεγάλη σημασία αν αυτή η θερμοκρασία είναι σε βαθμούς Φαρενάιτ, Κελσίου ή Κέλβιν).

Εκτός των πρωτονίων, των νετρονίων, των ηλεκτρονίων και των φωτονίων, σε τούτες τις υψηλές θερμοκρασίες απαντά και ένα παράξενο σωματίδιο, το οποίο θα εμφανιστέι πολλές φορές στην αφήγησή μας, το νετρίνο. Τα νετρίνα μπορούν να διατηρήσουν το πλήθος των νετρονίων και των πρωτονίων ουσιαστικά το ίδιο. Αυτό το κάνουν παίζοντας διπλό ρόλο. Πρώτον, συγκρουόμενα με πρωτόνια, μπορούν να δημιουργήσουν νετρόνια και άλλα σωματίδια. Δεύτερο, τα νετρόνια μπορούν να υποστούν ραδιενεργό διάσπαση, παράγοντας έτσι νετρίνα, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα φωτόνια συγκρούονται με πρωτόνια, εμποδίζοντας τα πρωτόνια και τα νετρόνια από το να ενωθούν και να σχηματίσουν πιο περίπλοκους ατομικούς πυρήνες, καθώς και με τα ηλεκτρόνια, εμποδίζοντας τον σχηματισμό ατόμων.

Καθώς όμως το σύμπαν διαστέλλεται, ψύχεται και τα διάφορα συστατικά του κινούνται ολοένα και πιο αργά. Εντέλει, τα νετρίνα δεν έχουν πλέον αρκετή ενέργεια για να μετατρέψουν τα πρωτόνια σε νετρόνια. Κάποια από τα νετρόνια διασπώνται, κάποια ενώνονται με πρωτόνια και σχηματίζουν ένα ισότοπο του υδρογόνου του οποίου ο πυρήνας έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, και ονομάζεται δευτέριο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούν επίσης να ενωθούν και να σχηματίσουν τους πυρήνες πιο περίπλοκων ατόμων, όπως το ήλιο και το λίθιο. Στην πραγματικότητα, μεγάλο μέρος των απλών πυρήνων που απαρτίζουν την ύλη σύμπαντος, πυρήνες όπως το δευτέριο, το ήλιο και το λίθιο, σχηματίζονται με αυτόν τον τρόπο. Οι βαρύτεροι πυρήνες σχηματίζονται κατά κανόνα πολύ αργότερα, από την καύση υδρογόνου στο εσωτερικό των αστέρων. Η διαδικασία με την οποία σχηματίζονται οι πυρήνες των ελαφρύτερων στοιχείων στο πρώιμο σύμπαν είναι γνωστή ως αρχέγονη πυρηνοσύνθεση. Λαμβάνει χώρα περίπου 3 λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Εδώ και αρκετό καιρό γνωρίζουμε αρκετά τις πυρηνικές αντιδράσεις και τη φύση του σύμπαντος ώστε μπορούμε να προβλέψουμε ποιά ποσότητα πρέπει να υπάρχει από κάθε ελαφρύ στοιχείο. Οι αστρονόμοι μετρούν τα ποσοστά της ύλης του σύμπαντος σε υδρογόνο, ήλιο και τα υπόλοιπα ελαφρά στοιχεία, και αυτά συμφωνούν αρκετά με τις προβλέψεις της θεωρίας.

Από το ίδιο όμως θεωρητικό πλαίσιο προκύπτει και μια άλλη συναρπαστική πρόβλεψη. Το σύμπαν, σε αυτό το στάδιο, είναι ακόμα εξαιρετικά θερμό. Δεν είναι αρκετά ψυχρό για να σχηματιστούν άτομα, παρά μόνο αφότου η θερμοκρασία πέσει λίγο κάτω από ένα εκατομμύριο βαθμούς Κέλβιν, 100.000 έτη μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Ακριβώς όπως η αφθονία σε ελαφρά στοιχεία είναι ένα απομεινάρι των πρώτων λεπτών, υπάρχει ένα ακόμη πιο ευδιάκριτο απολίθωμα αυτού του ορόσημου των 100.000 ετών – ένα λουτρό μικροκυμάτων που γεμίζει το το σύμπαν, η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Toύτο το ορόσημο είναι γνωστό ως ο κοσμικός χρόνος επανασύνδεσης.

Πριν από αυτή τη στιγμή, τα φωτόνια – τα σωματίδια που αποτελούν το φως, συγκρούονταν συνεχώς με τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, διανύοντας πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ των συγκρούσεων. Από τη στιγμή όμως που το σύμπαν αποτελείται από ουδέτερα άτομα, τα φωτόνια μπορούν να διασχίσουν το σύμπαν χωρίς εμπόδια. Οι Γκάμοφ και Άλφερ συνειδητοποίησαν ότι αυτά τα φωτόνια πρέπει να υπάρχουν και σήμερα. Τη στιγμή της κοσμικής επανασύνδεσης πρέπει να είχαν μήκος κύματος παρόμοιο με αυτό του ορατού φωτός. Λόγω όμως της μετατόπισης προς το ερυθρό εξαιτίας της διαστολής του σύμπαντος, πλέον το μέσο φωτόνιο αυτής της ακτινοβολίας θα έχει πολύ μεγαλύτερο μήκος κύματος, περίπου όσο αυτό των μικροκυμάτων στον φούρνο σας.

Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου ανακαλύφθηκε λόγω μιας εντυπωσιακής σύμπτωσης το 1964, σχεδόν δύο δεκαετίες μετά την εργασία των Γκάμοφ και Άλφερ. (…)
Το φάσμα της μικροκυματικής ακτινοβολίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία της ακτινοβολίας με καθολικά ομοιόμορφο τρόπο. Επομένως, η μέτρηση της ακτινοβολίας αντιστοιχεί στη μέτρηση της θερμοκρασίας του σύμπαντος σήμερα. Προσφέρει όμως και κάτι περισσότερο: ένα έλεγχο της κοσμολογικής αρχής. Μελετώντας την ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από διάφορες κατευθύνσεις, οι αστροφυσικοί διαπίστωσαν ότι η θερμοκρασία είναι ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις, με μεγάλη ακρίβεια. Δεδομένου ότι η ακτινοβολία διανύει τεράστιες αποστάσεις (ταξιδεύει προς εμάς εδώ και 13,5 δισεκατομμύρια χρόνια), αυτό τεκμηριώνει ότι όντως το σύμπαν, σε πολύ μεγάλες κλίμακες μήκους, είναι το ίδιο παντού και προς όλες τις κατευθύνσεις, όπως είχε υποθέσει ο Αϊνστάιν. Παράλληλα, τις τελευταίες δεκαετίες, έρευνες σε πολύ μακρινούς γαλαξίες έχουν αποδείξει ότι η ύλη κατανέμεται ομοιόμορφα και με τον ίδιο τρόπο προς όλες τις κατευθύνσεις, όταν εξετάζεται σε μεγάλες κλίμακες. Οι αστρονόμοι λένε ότι το σύμπαν είναι ομοιγενές και ισότροπο (το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις).

Υπό μία έννοια όμως, αυτό ήταν υπερβολικά καλό για να είναι αληθινό. Το σύμπαν σίγουρα δεν είναι απολύτως ομοιογενές και ισότροπο. Η πιο εύλογη εξήγηση γι΄αυτό φαινόταν να είναι ότι στην αρχή ήταν λίγο ανομοιογενές και ανισότροπο, και ότι αυτές οι ατέλειες ενισχύθηκαν όσο το σύμπαν διαστελλόταν και γερνούσε. Ωστόσο, για μεγάλο χρονικό διάστημα, δεν προέκυψε οποιαδήποτε ένδειξη για κάτι τέτοιο στην ακτινοβολία κοσμικού υποβάθρου. Μάλιστα, σύντομα μετρήθηκε ότι η κοσμική ακτνοβολία υποβάθρου ήταν ομοιογενής και ισότροπη με ακρίβεια ενός μέρους στα 10.000.

Κατά συνέπεια, διαθέτουμε μια εικόνα της ιστορίας του σύμπαντος, που υποστηρίζεται πειραματικά και παρατηρησιακά, από την χρονική στιγμή περίπου τρία λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη μέχρι σήμερα, τουλάχιστον 13 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα. Και πάλι, όμως, ακόμα δεν γνωρίζουμε τι σημαίνει η ιδιομορφία στις εξισώσεις του Αϊνστάιν και αν το σύμπαν πράγματι ξεκίνησε κάποια στιγμή στο παρελθόν.

αποσπάσματα από το βιβλίο «από που πάνε στο σύμπαν;» του Michael Dine

https://physicsgg.me/2024/11/10/%ce%bc%ce%b9%ce%b1-%ce%bb%ce%bf%ce%b3%ce%b9%ce%ba%ce%ae-%ce%b9%cf%83%cf%84%ce%bf%cf%81%ce%af%ce%b1-%cf%84%ce%bf%cf%85-%cf%83%cf%8d%ce%bc%cf%80%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%bf%cf%82/