Ένα σύμπαν από το τίποτε, A universe from nothing

Όταν λέμε ότι το σύμπαν δημιουργήθηκε από «τίποτε» σε πρώτη φάση θα μπορούσαμε να θεωρούμε ως τίποτε τον κενό χώρο.

(…) ο κενός χώρος είναι πολύπλοκος. Μοιάζει με σούπα δυνάμει σωματιδίων που κοχλάζουν, και τα οποία δημιουργούνται σε χρονικά διαστήματα τόσο σύντομα ώστε δεν μπορούμε να τα δούμε άμεσα. Τα δυνάμει σωματίδια υποδηλώνουν μια βασική ιδιότητα των κβαντικών συστημάτων. Στην καρδιά της κβαντικής μηχανικής βρίσκεται ο κανόνας που λέει, πως όταν δεν υπάρχει παρατηρητής, τα πάντα μπορούν να γίνουν.

Τα συστήματα, δηλαδή, συνεχίζουν να εξελίσσονται, έστω και στιγμιαία, ανάμεσα σε όλες τις δυνατές καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που δεν επιτρέπονταν. Αυτές οι «κβαντικές διακυμάνσεις» αποκαλύπτουν ένα βασικό χαρακτηριστικό του κβαντικού κόσμου: από το τίποτε μπορεί να παραχθεί κάτι.(…)

Ωστόσο αν λάβουμε υπόψη μας τη σύνθεση κβαντικής μηχανικής και γενικής σχετικότητας, μπορούμε να επεκτείνουμε το επιχείρημα για να υποστηρίξουμε την αναγκαστική δημιουργία του ίδιου του χώρου.(…)

Η επέκταση της κβαντικής μηχανικής με σκοπό να συμπεριλάβουμε ένα τέτοιο ενδεχόμενο δεν είναι εύκολη υπόθεση, αλλά προς αυτή την κατεύθυνση κινείται ο φορμαλισμός που ανέπτυξε ο Richard Feynman, και οδήγησε στη σύγχρονη κατανόηση της προέλευσης των αντισωματιδίων. Οι μέθοδοι του Feynman εστιάζονται στο βασικό γεγονός, ότι τα κβαντομηχανικά συστήματα εξερευνούν όλες τις δυνατές διαδρομές, ακόμη κι εκείνες που κλασικά απαγορεύονται, καθώς εξελίσσονται στον χρόνο.

Για να το διερευνήσει, ο Feynman ανέπτυξε έναν «φορμαλισμό άθροισης διαδρομών». Σε αυτή τη μέθοδο, εξετάζουμε όλες τις δυνατές διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει ένα σωματίδιο μεταξύ δυο σημείων. Έπειτα, αποδίδουμε σε κάθε διαδρομή μια σταθμισμένη πιθανότητα, που βασίζεται σε καλά ορισμένες αρχές της κβαντικής μηχανικής και, στη συνέχεια, αθροίζουμε όλες τις διαδρομές ώστε να καταλήξουμε σε τελικές (πιθανοκρατικές) προβλέψεις για την κίνηση των σωματιδίων.

Ο Stephen Hawking ήταν ένας από τους πρώτους επιστήμονες που αξιοποίησαν πλήρως την ιδέα, στην ανάπτυξη μιας κβαντομηχανικής θεωρίας του χωροχρόνου (την ένωση του τρισδιάστατου χώρου μας με τη μία διάσταση του χρόνου από την οποία προκύπτει ένα τετραδιάστατο ενοποιημένο χωροχρονικό σύστημα, όπως απαιτείται από την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Einstein).

Η μέθοδος Feynman, εστιάζοντας σε όλες τις δυνατές διαδρομές, συνεπαγόταν αποτελέσματα ανεξάρτητα από τις συγκεκριμένες χωρικές και χρονικές τιμές που αποδίδει κάποιος σε κάθε σημείο της διαδρομής. Επειδή, σύμφωνα με τη σχετικότητα, διαφορετικοί παρατηρητές που βρίσκονται σε σχετική κίνηση μεταξύ τους μετρούν διαφορετικά τις αποστάσεις και τους χρόνους, συνεπώς αποδίδουν διαφορετικές τιμές σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου, ένας φορμαλισμός ανεξάρτητος από τις διαφορετικές τιμές που αποδίδουν οι διαφορετικοί παρατηρητές σε κάθε σημείο στον χώρο και στον χρόνο, είναι ιδιαιτέρως χρήσιμος.

Και είναι εξαιρετικά χρήσιμος στην περίπτωση της γενικής σχετικότητας, όπου ο προσδιορισμός των χωρικών και χρονικών σημείων γίνεται εντελώς αυθαίρετα και διαφορετικοί παρατηρητές σε διαφορετικά σημεία σε ένα βαρυτικό πεδίο μετρούν αποστάσεις και χρόνους διαφορετικά. Στη γενική σχετικότητα, όλα όσα προσδιορίζουν τελικά τη συμπεριφορά των συστημάτων είναι γεωμετρικές ποσότητες, όπως η καμπυλότητα, η οποία αποδεικνύεται ανεξάρτητη από όλες τις μεθόδους προσδιορισμού τιμών.

Η γενική σχετικότητα – από όσα τουλάχιστον γνωρίζουμε – δεν βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με την κβαντική μηχανική, συνεπώς δεν υπάρχει καμιά απολύτως ξεκάθαρη μέθοδος ορισμού της τεχνικής άθροισης διαδρομών του Feynman στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας. Γι’ αυτό πρέπει να κάνουμε κάποιες εικασίες με βάση την αληθοφάνειά τους και κατόπιν να ελέγχουμε το νόημα των αποτελεσμάτων. Αν, λοιπόν, θέλουμε να εξετάσουμε την κβαντική δυναμική του χώρου και του χρόνου, πρέπει να διερευνήσουμε κάθε ξεχωριστή «άθροιση διαδρομών», καθεμία από τις οποίες αντιστοιχεί σε μια διαφορετική γεωμετρία που μπορεί να υιοθετήσει ο χώρος κατά τα ενδιάμεσα στάδια οποιασδήποτε διαδικασίας, όταν κυριαρχεί η κβαντική απροσδιοριστία. Αυτό σημαίνει πως πρέπει να λάβουμε υπόψη χώρους σε αυθαιρέτως μεγάλο βαθμό καμπυλωμένους σε μικρές αποστάσεις και μικρά χρονικά διαστήματα (τόσο μικρές αποστάσεις και μικρά χρονικά διαστήματα (τόσο μικρές και τόσο σύντομα που δεν μπορούμε να τα μετρήσουμε, με αποτέλεσμα να κυριαρχεί η κβαντική παραδοξότητα). Αυτοί οι αλλόκοτοι σχηματισμοί δεν μπορούν να παρατηρηθούν από μεγάλου μεγέθους κλασικούς παρατηρητές, όπως είμαστε εμείς.

Ας εξετάσουμε, όμως, κάποια ακόμη πιο αλλόκοτα ενδεχόμενα.

Θυμηθείτε ότι στην κβαντική θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού, σωματίδια μπορούν να εμφανίζονται αυθαιρέτως από τον κενό χώρο, αρκεί να εξαφανίζονται πάλι μέσα σε ένα χρονικό διάστημα που καθορίζεται από την αρχή της αβεβαιότητας. Μήπως, λοιπόν, και στην κβαντική άθροιση των δυνατών χωροχρονικών σχηματισμών του Feynman, θα έπρεπε να εξετάσουμε την πιθανότητα αυθόρμητης εμφάνισης και εξαφάνισης μικρών, πιθανώς συμπαγών χώρων; Γενικότερα, τι μπορούμε να πούμε για χώρους που ίσως διαθέτουν «τρύπες» ή «λαβές», σαν ντόνατς βουτηγμένα στον χωρόχρονο;

"A Universe From Nothing" - Lawrence Krauss, Richard Dawkins.

Τα ερωτήματα παραμένουν ανοιχτά. Ωστόσο, αν δεν βρεθεί ένας καλός λόγος για να αποκλειστούν τέτοιοι σχηματισμοί από την κβαντομηχανική άθροιση που προσδιορίζει τις ιδιότητες του εξελισσόμενου Σύμπαντος – και μέχρι στιγμής δεν γνωρίζω κάποιον τέτοιο λόγο – τότε, στο πλαίσιο μιας γενικής αρχής που ισχύει οπουδήποτε στη φύση (δηλαδή, πως οτιδήποτε δεν απαγορεύεται από τους νόμους της φυσικής πρέπει στην πραγματικότητα να συμβεί), η εξέταση αυτών των ενδεχομένων φαντάζει άκρως λογική.

CMB data (top) versus closed, flat, and open universe predictions. Flat universe (bottom middle) is best match: Image courtesy of NASA/JPL.

Όπως έχει τονίσει ο Stephen Hawking, μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας επιτρέπει τη δημιουργία, έστω και στιγμιαίως του ίδιου του χώρου εκεί που πριν δεν υπήρχε. Παρότι με το επιστημονικό έργο του δεν επιχειρούσε να πραγματευθεί το αίνιγμα του «κάτι από το τίποτε», η κβαντική βαρύτητα έρχεται να δώσει απάντηση σε αυτό ακριβώς το ερώτημα.

Τα «δυνάμει» σύμπαντα – οι πιθανοί μικροί συμπαγείς χώροι που μπορούν να εμφανιστούν και να εξαφανιστούν σε χρονικές κλίμακες τόσο μικρές ώστε αδυνατούμε να τους μετρήσουμε άμεσα – είναι συναρπαστικές θεωρητικές δομές, ωστόσο δεν φαίνεται να εξηγούν πως μπορεί να προκύψει μακροπρόθεσμα κάτι από το τίποτε, περισσότερο απ’ όσο το εξηγούν τα δυνάμει σωματίδια που ενοικούν τον κατά τα άλλα κενό χώρο.

Join critically-acclaimed author and evolutionary biologist Richard Dawkins and world-renowned theoretical physicist and author Lawrence Krauss as they discuss biology, cosmology, religion, and a host of other topics. The authors will also discuss their new books. Dawkins recently published The Magic of Reality: How We Know What's Really True, an exploration of the magic of discovery embodied in the practice of science. Written for all age groups, the book moves forward from historical examples of supernatural explanations of natural phenomena to focus on the actual science behind how the world works.

Krauss's latest book, A Universe from Nothing: Why There is Something Rather than Nothing, explains the scientific advances that provide insight into how the universe formed. Krauss tackles the age-old assumption that something cannot arise from nothing by arguing that not only can something arise from nothing, but something will always arise from nothing.

Δεν πρέπει βεβαίως να ξεχνάμε ότι ένα μη μηδενικό πραγματικό ηλεκτρικό πεδίο, παρατηρήσιμο σε μεγάλες αποστάσεις από το φορτισμένο σωματίδιο – πηγή του, μπορεί να προκύψει από τη σύμφωνη εκπομπή πολλών εν δυνάμει φωτονίων μηδενικής ενέργειας, από το φορτίο. Αυτό συμβαίνει επειδή η εκπομπή δυνάμει φωτονίων μηδενικής ενέργειας δεν παραβιάζει τη διατήρηση της ενέργειας. Συνεπώς, με βάση την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, η ύπαρξή τους δεν περιορίζεται σε πού μικρά χρονικά διαστήματα.

(Θυμηθείτε, επίσης, ότι η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg δηλώνει πως η αβεβαιότητα που χαρακτηρίζει τη μέτρηση της ενέργειας ενός σωματιδίου, και συνεπώς την πιθανότητα η ενέργειά του να αλλάξει ελαφρώς εξαιτίας της εκπομπής και της απορρόφησης δυνάμει φωτονίων, είναι αντιστρόφως ανάλογη προς τον χρόνο παρατήρησής του. Επομένως, τα δυνάμει σωματίδια μπορούν ουσιαστικά να αφαιρέσουν ατιμωρητί μηδενική ενέργεια – δηλαδή, μπορούν να υπάρξουν για αυθαιρέτως μεγάλα χρονικά διαστήματα και να διανύσουν αυθαιρέτως μεγάλες αποστάσεις, πριν απορροφηθούν … οδηγώντας έτσι στην πιθανή ύπαρξη αλληλεπιδράσεων μακράς εμβέλειας μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων. Αν το φωτόνιο είχε μάζα, και επομένως έφερε μη μηδενική ενέργεια εξαιτίας μιας μάζας ηρεμίας, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg θα συνεπαγόταν ότι το ηλεκτρικό πεδίο θα είχε μικρή εμβέλεια, επειδή τα φωτόνια θα διαδίδονταν για μικρά μόνο χρονικά διαστήματα πριν απορροφηθούν ξανά).

Σύμφωνα με ένα παρόμοιο επιχείρημα, δεν αποκλείεται η ύπαρξη ενός σύμπαντος που θα μπορούσε να εμφανιστεί αυθορμήτως χωρίς να χρειάζεται να εξαφανιστεί αμέσως μετά, εξαιτίας των περιορισμών που θέτουν η αρχή της αβεβαιότητας και η διατήρηση της ενέργειας. Δηλαδή, ένα συμπαγές σύμπαν με μηδενική ολική ενέργεια.(…)

Απόσπασμα από το βιβλίο του Lawrence M. Krauss: “ΕΝΑ ΣΥΜΠΑΝ ΑΠΟ ΤΟ ΤΙΠΟΤΕ”, μετάφραση: Νίκος Αποστολόπουλος - εκδόσεις Τραυλός.