Στην αρχή ήταν η Μεγάλη Έκρηξη - ή μήπως όχι; In the beginning was the Big Bang - or maybe not?

Μια νέα θεωρία κάνει στην άκρη τη Μεγάλη Έκρηξη και θέλει το Σύμπαν αέναο. Η ιδέα έρχεται να τραντάξει τα θεμέλια της κοσμολογίας, προτείνοντας μια λύση που ξεπερνά με μαγικό τρόπο όλες τις αυθαιρεσίες της σύγχρονης Φυσικής. According to a new theory, the Big Bang, shown here in an artist's concept, may not have been the beginning of everything. The mysterious dark energy that's driving the universe's accelerated expansion may have its roots in the background "vacuum energy" that pervades all of the cosmos, a new study suggests. "What we think is happening is a dynamic effect of the quantum vacuum, a parameter that we can calculate," co-author Joan Sola, of the University of Barcelona in Spain, said in a statement. "Nothing is more 'full' than the quantum vacuum since it is full of fluctuations that contribute fundamentally to the values that we observe and measure." Credit: Stephen van Vuuren

Η κρατούσα θεωρία για τη δημιουργία του Σύμπαντος είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης που λίγο-πολύ όλοι έχουμε ακούσει. Το Σύμπαν, ως χώρος και χρόνος μαζί και με το περιεχόμενό του, εμφανίστηκε ξαφνικά πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Η ιδέα αυτή αντιμετωπίζεται συνήθως με δυσπιστία από τον μέσο αναγνώστη επειδή φαίνεται εντελώς παράλογη - και όχι χωρίς λόγο, αφού το ίδιο «άβολα» νιώθουν γι' αυτήν και οι ειδικοί επιστήμονες. Ο λόγος είναι ότι, πέρα από τις όποιες φιλοσοφικές αντιρρήσεις που σχετίζονται με την εμφάνιση του χώρου και του χρόνου από το τίποτα, υπάρχουν και μερικές «τεχνικές» λεπτομέρειες που δεν έχουν απαντηθεί ικανοποιητικά ως σήμερα.

Μερικές από αυτές είναι προφανείς και σε έναν μη ειδικό, για παράδειγμα το πώς και το γιατί δημιουργήθηκε η Μεγάλη Έκρηξη. Άλλες προκύπτουν από αστρονομικές παρατηρήσεις που δείχνουν ότι το Σύμπαν έχει μερικές απροσδόκητες ιδιότητες, όπως π.χ. η ομογένεια, η ισοτροπία και η επιταχυνόμενη διαστολή, που εξηγούνται μόνο με την επίκληση άγνωστων στην καθημερινή Φυσική δυνάμεων.

Spyros Basilakos Researcher at Academy of Athens. Researcher at Research Center for Astronomy and Applied Mathematics. "Honorable Mention" in 2013 Essay Competition of Gravity Research Foundation.

Πρόσφατα μια διεθνής ομάδα κοσμολόγων πρότεινε μια θεωρία για το Σύμπαν που παρακάμπτει όλες αυτές τις δυσκολίες και η οποία απέσπασε εύφημη μνεία τα δύο τελευταία χρόνια στην ετήσια αξιολόγηση δημοσιεύσεων κοσμολογικού περιεχομένου. Πέρα από το όποιο επιστημονικό ενδιαφέρον της, η θεωρία είναι άξια προσοχής επειδή της διεθνούς ομάδας κοσμολόγων ηγείται ένας Έλληνας.

Το μυστήριο του κοσμικού πληθωρισμού

Figure 01 Cosmic Inflation. According to the latest cosmological model, the universe sprang into being about 14 billion years ago. At birth, the space was likely to have been curved and warped due to quantum effect within the tiny speck and time may be meaningless. After about 10^-35 seconds, there began a brief period of exponentially fast expansion, known as inflation, that ironed out any curves or warps in space and made the universe flat (because it becomes so large). Inflation also predicts a much smaller initial region, which is required for smoothing out the distribution of matter and radiation, only leaving behind tiny quantum fluctuations that match the observed spatial variations in the cosmic microwave background radiation and provide the seeds for galaxy formation. The orange curve in Figure 01 shows the period of inflation from 10^-35 sec to 10^-32 sec after the initial expansion.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960 υπήρχαν δύο αντιμαχόμενες θεωρίες για τη δημιουργία του Σύμπαντος: η θεωρία της Σταθερής Κατάστασης, που πρέσβευε ότι το Σύμπαν υπήρχε από πάντα, και η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, που πρέσβευε ότι το Σύμπαν είχε δημιουργηθεί κάποια στιγμή στο παρελθόν. Η παρατήρηση το 1965 της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία προβλέπεται από τη Μεγάλη Έκρηξη αλλά όχι από τη Σταθερή Κατάσταση, έγειρε την πλάστιγγα υπέρ της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης. Μεταγενέστερες παρατηρήσεις όμως φανέρωσαν ιδιότητες του Σύμπαντος που δεν μπορούσε να εξηγήσει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης στο πλαίσιο της γνωστής Φυσικής. Έτσι ανέκυψε η ανάγκη εισαγωγής νέων θεωριών, για τις οποίες δεν υπήρχε κανενός είδους πειραματική επιβεβαίωση ή έστω ένδειξη. Για παράδειγμα, η αξιοσημείωτη ομογένεια του Σύμπαντος σε μεγάλες κλίμακες, δηλαδή το γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται από όλα τα σημεία του το ίδιο, και η αξιοσημείωτη ισοτροπία του, δηλαδή το γεγονός ότι το Σύμπαν φαίνεται το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις, οδήγησαν στην εισαγωγή της θεωρίας του πληθωριστικού Σύμπαντος.

Astronomers in the 1970s had a problem understanding the early universe. When they probed deep space with radio telescopes, they discovered a faint background glow of microwave radiation. Variations in the density of the microwave signal were interpreted as variations in the density of matter in the early universe. Surprisingly, the background glow of radiation was found to be uniform in every direction. This seemed unreasonable; scientists expected to find regions of space with different densities and temperatures, because these regions seemed too far apart to have evolved together. American physicist Alan Guth proposed an explanation in 1980. He theorized that in the tiny fraction of time just following the Big Bang, the universe underwent extremely rapid expansion. In a flash, its volume increased by a factor of 10^78 (the number 10 followed by 78 zeroes). Almost immediately the universe cooled slightly and the event, called "inflation," was over. The inflationary model explains why the universe appears uniform in all directions: Everything in it evolved together before inflation. It has other staggering implications, too: The part of space that we can see must be just a tiny patch in what must be a vast universe that we can never directly detect. Credit: Map of Cosmic Microwave Background temperature fluctuations from Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) data; Alan Guth photo via Brookhaven National Laboratory

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, μόλις 10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (δηλαδή, ένα δισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου) το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται επιταχυνόμενο εξαιτίας μια δύναμης πέρα από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις της φύσης στις οποίες βασίζεται η Φυσική που διδάσκουμε.

Figure 02 Unobservable Universe. Figure 02 shows the actual size of the universe after the inflation. Our observable unvierse is only part of the whole thing. The mechanism to drive the inflation is related to a "yet-to-be-discovered" inflaton field, which is thought to be similar to the Higgs fields responsible for the mass of the elementary particles. When the temperature fell below a certain value, a phase transition (similar to the transition of water to ice at 0oC with the release of latent heat) of the inflaton field occurred. The phase transition released energy, which was conversed to hot matter and radiation. It also developed repulsive force to drive the inflation. The inflation stopped when the inflaton field settled down into lower energy state.

Σήμερα δεν είναι πλήρως κατανοητό ούτε γιατί ξεκίνησε αυτή η επιταχυνόμενη διαστολή ούτε πότε και πώς σταμάτησε. Είναι όμως σίγουρο ότι διήρκεσε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου κατά τη διάρκεια του οποίου το μέγεθος του Σύμπαντος αυξήθηκε κατά 10²⁵ (δηλαδή, δέκα τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων) φορές. Η ασύλληπτα γρήγορη και ισχυρή διαστολή εξάλειψε όλες τις πιθανές ανομοιογένειες και ανισοτροπίες έτσι ώστε το Σύμπαν να παρουσιάζει την εικόνα της ομογένειας και ισοτροπίας που παρατηρούμε σήμερα. Αλλά δεν φαίνεται να υπάρχει τρόπος να ερμηνευθεί ικανοποιητικά ούτε ο χρόνος έναρξης και διάρκειας του φαινομένου ούτε και η έντασή του, πέρα φυσικά από την αιτία που το προκάλεσε, που είναι και αυτή ένα μυστήριο.

Οι αριθμοί

In this lecture, the professor first reviewed supernovae Ia and vacuum energy density, then talked about problems of the conventional (non-inflationary) hot big bang model. Instructor: Alan Guth. View the complete course: http://ocw.mit.edu/8-286F13.

14 δισεκατομμύρια χρόνια πριν δεχόμαστε ότι γεννήθηκε το Σύμπαν, μαζί ο χώρος και ο χρόνος

10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη πιστεύουμε ότι άρχισε να διαστέλλεται επιταχυνόμενο το νεαρό Σύμπαν

2 νέες δυνάμεις χρειάστηκε να προσθέσουμε αυθαίρετα στη Φύση για να ερμηνεύσουμε αυτό το μοντέλο

Γιατί συνεχίζεται η επιταχυνόμενη διαστολή;

Figure 03b Problems with Inflation. In spite of producing predictions in exquisite accord with observations, the theory of inflation is now faulted on theoretical ground. In the April 2011 issue of Scientific American, an article by the theoretical physicist Paul Steinhardt listed three or four shortcomings (as illustrated in Figure 03b) with the theory of inflation and proposed a cyclic universe to resolve the problems.

Η προ δεκαετίας παρατήρηση ότι το Σύμπαν διαστέλλεται και σήμερα με επιταχυνόμενο ρυθμό δημιούργησε ένα άλλο πρόβλημα. Από τις τέσσερις γνωστές και γενικά αποδεκτές δυνάμεις της φύσης μόνο η βαρύτητα ενεργεί σε μεγάλες αποστάσεις και είναι ελκτική. Έτσι όλοι οι γαλαξίες έλκονται μεταξύ τους, σαν να είναι συνδεδεμένοι με ιδιότυπα ελατήρια, πράγμα που σημαίνει ότι η διαστολή του Σύμπαντος θα έπρεπε να επιβραδύνεται. Η παρατήρηση της επιταχυνόμενης διαστολής μας οδήγησε στην υπόθεση της ύπαρξης μιας πέμπτης απωστικής δύναμης, η οποία δρα μόνο σε μεγάλες αποστάσεις και η οποία οφείλεται στην ύπαρξη μιας νέας μορφής ενέργειας που ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια.

The galaxy cluster Abell 1689 is famous for the way it bends light in a phenomenon called gravitational lensing. Study of the cluster has revealed secrets about how dark energy shapes the universe. Dark energy is the name given to whatever is causing the expansion of the universe to accelerate. One theory predicts that an unchanging entity pervading space called the cosmological constant, originally suggested by Albert Einstein, is behind dark energy. But a popular alternative, called rolling scalar fields, suggests that whatever's causing dark energy isn't a constant, but has changed through time. Credit: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM)

Τη δύναμη αυτή εισήγαγε πρώτος ο Αϊνστάιν στις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας με τη μορφή ενός σταθερού όρου σε αυτές ο οποίος ονομάστηκε κοσμολογική σταθερά. Έτσι καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι για να δεχθούμε το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης πρέπει να εισαγάγουμε δύο νέες δυνάμεις στη φύση (μία για τις πρώτες στιγμές του και μία για σήμερα), χωρίς να  έχουμε καμία άλλη πειραματική ή θεωρητική ένδειξη για την ύπαρξή τους. Σε κάποιον που έχει ασχοληθεί με την εξέλιξη των ιδεών στη Φυσική η κατάσταση αυτή θυμίζει τη θεωρία του γεωκεντρικού πλανητικού συστήματος του Πτολεμαίου στην οποία, για να ερμηνεύσουμε τις παρατηρήσεις της θέσης των πλανητών υποθέτοντας ότι κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τη Γη, έπρεπε να υποθέσουμε ολοένα και πιο πολύπλοκους νόμους κίνησης - ώσπου ο Κέπλερ διατύπωσε τη θεωρία ότι οι πλανήτες κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον Ήλιο, οπότε όλες οι παρατηρήσεις ερμηνεύθηκαν διαμιάς ως διά μαγείας.

Η θεωρία του αέναου Σύμπαντος

Observations of Planck and other satellites help to solve the equation of the state of dark energy. The quintessence and phantom field hypotheses are based partly on data gathered by NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the European Space Agency's Planck satellite— spacecraft that have studied the cosmic microwave background, the ancient light that began saturating the universe 380,000 years after the Big Bang. In the new study, Sola and lead author Spyros Basilakos of the Academy of Athens in Greece analyze the same spacecraft observations and find less support for either quintessence or the phantom field idea. "Our theoretical study demonstrates that the equation of the state of dark energy can simulate a quintessence field, or even a phantom field, without being one in reality," Sola said. "Thus, when we see these effects in the observations from WMAP, Planck and other instruments, what we are seeing is a mirage." Basilakos and Sola instead suggest that dark energy is a type of dynamic quantum vacuum energy — something different than Einstein's cosmological constant, which describes a static vacuum energy density and is another possible explanation of dark energy's nature. Basilakos and Sola acknowledge there are some issues with the quantum vacuum energy theory but say it's a promising idea. "However, quintessence and phantom fields are still more problematic; therefore the explanation based on the dynamic quantum vacuum could be the more simple and natural one," Sola said. Credit: ESA

Είναι δυνατόν άραγε όλα τα προβλήματα που εμφανίζονται στο «κλασικό» σενάριο της Μεγάλης Εκρηξης να λυθούν με μία μόνο υπόθεση; Αυτή τη γραμμή σκέψης ακολούθησε η τριεθνής ερευνητική ομάδα που αποτελείται από τους Σπύρο Βασιλάκο (Ελλάδα), Jose Ademir Sales Lima (Βραζιλία) και Joan Sola (Ισπανία). Σύμφωνα με τη θεωρία της ομάδας, όλες οι παρατηρούμενες ιδιότητες του Σύμπαντος μπορούν να ερμηνευθούν αν υποθέσουμε ότι η λεγόμενη κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν δεν είναι σταθερά αλλά μεταβάλλεται, είναι δηλαδή αυτό που λένε οι μαθηματικοί συνάρτηση του χρόνου. Η εισαγωγή της κατάλληλης συνάρτησης στις εξισώσεις του Αϊνστάιν μάς οδηγεί σε μια λύση στην οποία το Σύμπαν ξεκινάει από μια αέναη κατάσταση, οπότε αποφεύγεται το πρόβλημα της εμφάνισης της Μεγάλης Έκρηξης, είναι όσο ομογενές και ισότροπο χρειάζεται, οπότε αποφεύγεται το πρόβλημα του χρόνου έναρξης και λήξης της πληθωριστικής φάσης του Σύμπαντος, και διαστέλλεται με αυξανόμενη ταχύτητα πέρα από μια ορισμένη χρονική στιγμή, οπότε αποφεύγεται το πρόβλημα της εισαγωγής της σκοτεινής ενέργειας. Η νέα θεωρία εξηγεί με συνεπή και ολοκληρωμένο τρόπο την κοσμική ιστορία του Σύμπαντος. Θα γίνει άραγε αποδεκτή από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα; Είναι νωρίς να το πούμε, αλλά είναι αξιοσημείωτο ότι η ερευνητική ομάδα έλαβε ήδη δύο τιμητικές διακρίσεις (Honorable Mention) τα έτη 2013 και 2014 στον διεθνή διαγωνισμό βαρύτητας Essay Competition of Gravity Research που γίνεται στις ΗΠΑ.

Χάρης Βάρβογλης, καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

Πηγή: Στην αρχή ήταν η Μεγάλη Έκρηξη – ή μήπως όχι;