Ίθαν Σίγκελ, Ακόμα και πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, το διάστημα δεν ήταν πραγματικά άδειο. Ethan Siegel, Even before the Big Bang, space wasn’t truly empty

Όλη η ύλη που μετράμε σήμερα προήλθε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά ακόμη και πριν από αυτό, και στο μακρινό μέλλον, δεν θα είναι ποτέ άδεια. Οι μαύρες τρύπες που σχηματίζονται από διαφορετικά υλικά θα πρέπει να έχουν διαφορετικές πληροφορίες κωδικοποιημένες στους ορίζοντες γεγονότων τους και δεν είναι κατανοητό εάν ή πώς αυτές οι πληροφορίες κωδικοποιούνται στη συνέχεια στην εξερχόμενη ακτινοβολία Hawking. Πρόσφατη εργασία έχει υποδείξει ότι ακόμη και αντικείμενα χωρίς ορίζοντα μπορούν επίσης να εκπέμπουν ακτινοβολία Hawking, αλλά αυτό το αποτέλεσμα εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο συζήτησης. All of the matter that we measure today originated in the hot Big Bang. But even before that, and far into the future, it’ll never be empty. Black holes formed of different materials should have different information encoded on their event horizons, and it is not understood if or how that information is then encoded in the outgoing Hawking radiation. Recent work has suggested that even horizonless objects may emit Hawking radiation as well, but that result is still debated. Credit: The EU’s Communicate Science

Όσον αφορά το φυσικό Σύμπαν, η έννοια του «τίποτα» μπορεί πραγματικά να είναι δυνατή μόνο στη θεωρία, όχι στην πράξη. Όπως βλέπουμε το Σύμπαν σήμερα, φαίνεται γεμάτο από πράγματα: ύλη, ακτινοβολία, αντιύλη, νετρίνα, ακόμη και σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, παρά το γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε πραγματικά την απόλυτη, θεμελιώδη φύση των δύο τελευταίων. Ωστόσο, ακόμα κι αν αφαιρέσετε κάθε κβάντο ενέργειας, αφαιρώντας την με κάποιο τρόπο εντελώς από το Σύμπαν, δεν θα μείνει ένα άδειο Σύμπαν. Ανεξάρτητα από το πόσο αφαιρείτε από αυτό, το Σύμπαν θα παράγει πάντα νέες μορφές ενέργειας.

Πώς είναι δυνατόν αυτό; Είναι σαν το ίδιο το Σύμπαν να μην κατανοεί την ιδέα μας για το «τίποτα». Αν αφαιρούσαμε όλα τα κβάντα ενέργειας από το Σύμπαν μας, αφήνοντας πίσω μόνο κενό χώρο, θα περιμέναμε αμέσως ότι το Σύμπαν θα βρισκόταν στο απόλυτο μηδέν: χωρίς ενεργειακά σωματίδια πουθενά. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει καθόλου. Όσο «άδειο» κι αν κάνουμε τεχνητά το διαστελλόμενο Σύμπαν, το γεγονός ότι διαστέλλεται θα παρήγαγε αυθόρμητα και αναπόφευκτα ακτινοβολία. Ακόμα και αυθαίρετα πολύ στο μέλλον, ή πολύ πίσω πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν δεν θα ήταν ποτέ πραγματικά άδειο. Ιδού η επιστήμη που εξηγεί γιατί.

Αν κοιτάξετε όλο και πιο μακριά, κοιτάτε επίσης όλο και πιο μακριά στο παρελθόν. Αν ο αριθμός των γαλαξιών, οι πυκνότητες και οι ιδιότητες αυτών των γαλαξιών, καθώς και άλλες κοσμικές ιδιότητες όπως η θερμοκρασία και ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος δεν φαινόταν να αλλάζουν, θα είχατε στοιχεία για ένα Σύμπαν που ήταν σταθερό στο χρόνο. Αυτό δεν είναι αυτό που βλέπουμε. If you look farther and farther away, you also look farther and farther into the past. If the number of galaxies, the densities and properties of those galaxies, and other cosmic properties like the temperature and expansion rate of the Universe didn’t appear to change, you’d have evidence of a Universe that was constant in time; that is not what we see. Credit: NASA/ESA/STScI/A. Feild

Εδώ στο Σύμπαν μας σήμερα, είναι πολύ σαφές ότι ο χώρος είναι οτιδήποτε άλλο εκτός από άδειος. Σε κάθε κατεύθυνση που κοιτάμε, βλέπουμε:

• αστέρια,
• αέριο,
• σκόνη,
• άλλους γαλαξίες,
• σμήνη γαλαξιών,
• κβάζαρ,
• κοσμικά σωματίδια υψηλής ενέργειας (γνωστά ως κοσμικές ακτίνες),
• και ακτινοβολία, τόσο από το φως των άστρων όσο και από τα υπολείμματα της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης.

Αν είχαμε καλύτερα «μάτια», δηλαδή, ανώτερα εργαλεία στη διάθεσή μας, θα μπορούσαμε επίσης να ανιχνεύσουμε τα σήματα που γνωρίζουμε ότι θα έπρεπε να υπάρχουν εκεί έξω, αλλά τα οποία δεν μπορούν να ανιχνευθούν με την τρέχουσα τεχνολογία. Θα βλέπαμε βαρυτικά κύματα από κάθε μάζα που επιταχύνεται μέσα σε ένα μεταβαλλόμενο βαρυτικό πεδίο. Θα «βλέπαμε» ό,τι είναι υπεύθυνο για τη σκοτεινή ύλη, αντί απλώς για τις βαρυτικές της επιδράσεις. Και θα βλέπαμε μαύρες τρύπες, τόσο ενεργές όσο και αδρανή, αντί απλώς αυτές που εκπέμπουν τις μεγαλύτερες ποσότητες ακτινοβολίας.

Η πλειονότητα των υπογραφών σκόνης που παρατηρούνται στον γαλαξία μας προέρχονται από τον ίδιο τον γαλαξία μας, όπως δείχνει αυτός ο χάρτης πλήρους ουρανού από τον δορυφόρο Planck. Ωστόσο, όσον αφορά ολόκληρο το Σύμπαν πέρα ​​από τον Γαλαξία μας, είναι άγνωστο εάν η πηγή του άγνωστου οπτικού φωτός προέρχεται από αόρατους γαλαξίες ή από κάποια άλλη, όπως πιθανώς σκόνη, πηγή. The majority of the dust signatures seen in our galaxy arise from our galaxy itself, as this full-sky map from the Planck satellite shows. However, when it comes to the entire Universe beyond the Milky Way, it is unknown whether the source of the unidentified optical light is from unseen galaxies or some other, possibly dust-like source. Credit: Planck Collaboration/ESA, HFI and LFI Consortium

Όλα όσα βλέπουμε δεν συμβαίνουν απλώς σε ένα στατικό Σύμπαν, αλλά μάλλον σε ένα Σύμπαν που εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον από φυσικής άποψης είναι το πώς εξελίσσεται το Σύμπαν μας. Σε παγκόσμια κλίμακα, ο ιστός του Σύμπαντός μας - ο χωροχρόνος - βρίσκεται σε διαδικασία επέκτασης, δηλαδή αν τοποθετήσετε δύο οποιαδήποτε καλά διαχωρισμένα «σημεία» στον χωροχρόνο σας, θα διαπιστώσετε ότι:

• σωστή απόσταση (όπως μετράται από έναν παρατηρητή σε ένα από τα σημεία) μεταξύ αυτών των σημείων,
• ο χρόνος ταξιδιού του φωτός μεταξύ αυτών των σημείων,
• και το μήκος κύματος του φωτός που ταξιδεύει από το ένα σημείο στο άλλο,

όλα θα αυξηθούν με την πάροδο του χρόνου. Το Σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά ψύχεται ταυτόχρονα ως αποτέλεσμα της διαστολής. Καθώς το φως μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, μετατοπίζεται επίσης προς χαμηλότερες ενέργειες και ψυχρότερες θερμοκρασίες. Το Σύμπαν ήταν θερμότερο στο παρελθόν και θα είναι ακόμη ψυχρότερο στο μέλλον. Και, μέσα από όλα αυτά, τα αντικείμενα με μάζα ή/και ενέργεια στο Σύμπαν έλκονται, συσσωρεύονται και συσσωρεύονται μαζί για να σχηματίσουν έναν μεγάλο κοσμικό ιστό.

Στη σύγχρονη κοσμολογία, ένα μεγάλης κλίμακας πλέγμα σκοτεινής και κανονικής ύλης διαπερνά το Σύμπαν. Στην κλίμακα μεμονωμένων γαλαξιών και μικρότερων, οι δομές που σχηματίζονται από την ύλη είναι εξαιρετικά μη γραμμικές, με πυκνότητες που αποκλίνουν από τη μέση πυκνότητα κατά τεράστιες ποσότητες. Σε πολύ μεγάλες κλίμακες, ωστόσο, η πυκνότητα οποιασδήποτε περιοχής του χώρου είναι πολύ κοντά στη μέση πυκνότητα: με ακρίβεια περίπου 99,99%. Σε κλίμακες μεγαλύτερες από μερικά δισεκατομμύρια έτη φωτός, δεν θα σχηματιστούν ποτέ δομές, λόγω της παρουσίας και της κυριαρχίας της σκοτεινής ενέργειας σε μεταγενέστερο χρόνο. In modern cosmology, a large-scale web of dark matter and normal matter permeates the Universe. On the scales of individual galaxies and smaller, the structures formed by matter are highly non-linear, with densities that depart from the average density by enormous amounts. On very large scales, however, the density of any region of space is very close to the average density: to about 99.99% accuracy. On scales larger than a few billion light-years, no structures will ever form, owing to the presence and late-time domination of dark energy. Credit: The Millennium Simulation, V. Springel et al.

Αν μπορούσατε με κάποιο τρόπο να τα εξαλείψετε όλα — όλη την ύλη, όλη την ακτινοβολία, κάθε κβάντα ενέργειας — τι θα έμενε;

Κατά μία έννοια, θα είχατε απλώς τον ίδιο τον κενό χώρο: να εξακολουθεί να διαστέλλεται, να διατηρεί τους νόμους της φυσικής άθικτους και να μην μπορεί να ξεφύγει από τα κβαντικά πεδία που διαπερνούν το Σύμπαν. Αυτό είναι το πιο κοντινό σημείο που μπορείτε να φτάσετε, φυσικά, σε μια πραγματική κατάσταση «μηδενικότητας», κι όμως εξακολουθεί να έχει φυσικούς κανόνες που πρέπει να υπακούει. Για έναν φυσικό σε αυτό το Σύμπαν, η αφαίρεση οποιουδήποτε άλλου χώρου θα δημιουργήσει μια μη φυσική κατάσταση που δεν περιγράφει πλέον τον κόσμο στον οποίο κατοικούμε.

Αυτό σημαίνει, ειδικότερα, ότι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως «σκοτεινή ενέργεια» σήμερα θα εξακολουθούσε να υπάρχει σε αυτό το «Σύμπαν του τίποτα» που φανταζόμαστε. Θεωρητικά, μπορείτε να πάρετε κάθε κβαντικό πεδίο στο Σύμπαν και να το βάλετε στη διαμόρφωση χαμηλότερης ενέργειας. Αν το κάνετε αυτό, θα φτάσετε σε αυτό που ονομάζουμε «ενέργεια μηδενικού σημείου» του χώρου, που σημαίνει ότι δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί περισσότερη ενέργεια από αυτό και να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση κάποιου είδους μηχανικού έργου. Σε ένα Σύμπαν με σκοτεινή ενέργεια, μια κοσμολογική σταθερά ή την ενέργεια μηδενικού σημείου των κβαντικών πεδίων, δεν υπάρχει λόγος να συμπεράνουμε ότι η ενέργεια μηδενικού σημείου θα ήταν στην πραγματικότητα μηδέν.

Ενώ η ύλη και η ακτινοβολία γίνονται λιγότερο πυκνές καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται λόγω του αυξανόμενου όγκου του, η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας εγγενής στο ίδιο το διάστημα. Καθώς δημιουργείται νέος χώρος στο διαστελλόμενο Σύμπαν, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή. While matter and radiation become less dense as the Universe expands owing to its increasing volume, dark energy is a form of energy inherent to space itself. As new space gets created in the expanding Universe, the dark energy density remains constant. Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Στο Σύμπαν μας, μάλιστα, έχει παρατηρηθεί ότι έχει μια πεπερασμένη αλλά θετική τιμή: μια τιμή που αντιστοιχεί σε μια ενεργειακή πυκνότητα περίπου ~1 GeV (περίπου η ενέργεια μάζας ηρεμίας ενός πρωτονίου) ανά κυβικό μέτρο χώρου. Αυτή είναι μια εξαιρετικά μικρή ποσότητα ενέργειας, φυσικά. Αν παίρνατε την ενέργεια που είναι εγγενής σε ένα μόνο ανθρώπινο σώμα - κυρίως από τη μάζα των ατόμων σας - και την απλώνατε ώστε να έχετε την ίδια ενεργειακή πυκνότητα με την ενέργεια μηδενικού σημείου του χώρου, θα διαπιστώνατε ότι καταλαμβάνετε τόσο χώρο όσο μια σφαίρα που έχει περίπου τον όγκο του Ήλιου!

Στο πολύ μακρινό μέλλον, σε λίγα χρόνια από τώρα, το Σύμπαν θα συμπεριφέρεται σαν αυτή η ενέργεια μηδενικού σημείου να είναι το μόνο πράγμα που έχει απομείνει μέσα του. Όλα τα αστέρια θα καούν. Τα πτώματα αυτών των αστεριών θα ακτινοβολήσουν όλη τους τη θερμότητα μακριά και θα ψυχθούν στο απόλυτο μηδέν. Τα αστρικά υπολείμματα θα αλληλεπιδράσουν βαρυτικά, εκτοξεύοντας την πλειονότητα των αντικειμένων στον διαγαλαξιακό χώρο, ενώ οι λίγες εναπομείνασες μαύρες τρύπες θα μεγαλώσουν σε τεράστια μεγέθη. Τελικά, ακόμη και αυτές θα διασπαστούν μέσω της ακτινοβολίας Hawking, και εκεί είναι που η ιστορία γίνεται πραγματικά ενδιαφέρουσα.

Όταν τοποθετείτε έστω και μία σημειακή μάζα στον χωροχρόνο, καμπυλώνετε την ύφανση του χωροχρόνου παντού ως αποτέλεσμα. Οι εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν σάς επιτρέπουν να συσχετίσετε την καμπυλότητα του χωροχρόνου με την ύλη και την ενέργεια, κατ' αρχήν, για οποιαδήποτε κατανομή επιλέγετε. Στην περίπτωση μιας άπειρα πυκνής σημειακής μάζας, προκύπτει μια μαύρη τρύπα, με έναν ορίζοντα γεγονότων που σχηματίζεται σε απόσταση που εξαρτάται από τη συνολική μάζα της μαύρης τρύπας. Οι μαύρες τρύπες με τη χαμηλότερη μάζα έχουν τους μικρότερους ορίζοντες γεγονότων, αλλά τη μεγαλύτερη χωρική καμπυλότητα σε αυτούς τους ορίζοντες. When you put down even a single point mass in spacetime, you curve the fabric of spacetime everywhere as a result. The Einstein field equations allow you to relate spacetime curvature to matter and energy, in principle, for any distribution you choose. In the case of an infinitely dense point mass, a black hole results, with an event horizon forming at a distance dependent on the total mass of the black hole. The lowest-mass black holes have the smallest event horizons, but the greatest amount of spatial curvature at those horizons. Credit: JohnsonMartin/Pixabay

Η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες διασπώνται μπορεί δικαιολογημένα να μείνει στην ιστορία ως η σημαντικότερη συμβολή του Stephen Hawking στην επιστήμη, αλλά κρύβει μερικά σημαντικά μαθήματα που ξεπερνούν κατά πολύ τις μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες έχουν αυτό που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων: μια περιοχή όπου μόλις οτιδήποτε από το Σύμπαν μας διασχίσει αυτή τη φανταστική επιφάνεια, δεν μπορούμε πλέον να λαμβάνουμε σήματα από αυτήν. Συνήθως, σκεφτόμαστε τις μαύρες τρύπες ως τον όγκο μέσα στον ορίζοντα γεγονότων: την περιοχή από την οποία τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Αλλά αν του δώσουμε αρκετό χρόνο, αυτές οι μαύρες τρύπες θα εξατμιστούν εντελώς.

Γιατί εξατμίζονται αυτές οι μαύρες τρύπες; Επειδή ακτινοβολούν ενέργεια, και αυτή η ενέργεια αντλείται από τη μάζα της μαύρης τρύπας, μετατρέποντας τη μάζα σε ενέργεια μέσω της εξίσωσης  E = mc² του Αϊνστάιν . Κοντά στον ορίζοντα γεγονότων, ο χώρος είναι πιο έντονα καμπυλωμένος. Μακρύτερα από τον ορίζοντα γεγονότων, είναι λιγότερο καμπυλωμένος. Αυτή η διαφορά στην καμπυλότητα αντιστοιχεί σε μια διαφωνία ως προς το ποια είναι η ενέργεια μηδενικού σημείου του χώρου. Κάποιος κοντά στον ορίζοντα γεγονότων θα δει ότι ο «κενός χώρος» του είναι διαφορετικός από τον «κενό χώρο» κάποιου που βρίσκεται πιο μακριά, και αυτό είναι ένα πρόβλημα επειδή τα κβαντικά πεδία, τουλάχιστον όπως τα κατανοούμε εμείς, είναι συνεχή και καταλαμβάνουν όλο τον χώρο.

Οπτικοποίηση ενός υπολογισμού κβαντικής θεωρίας πεδίου που δείχνει εικονικά σωματίδια στο κβαντικό κενό. (Συγκεκριμένα, για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις.) Ακόμα και στον κενό χώρο, αυτή η ενέργεια κενού είναι μη μηδενική. Εάν υπάρχουν επιπλέον σωματίδια ή πεδία πέρα ​​από αυτά που προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο, θα επηρεάσουν το κβαντικό κενό και θα αλλάξουν τις ιδιότητες πολλών μεγεθών μακριά από τις προβλέψεις τους στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Ωστόσο, η συνεισφορά της κβαντικής πολυμεράσης δεν μπορεί να υπολογιστεί διαταραγμένα, όπως μπορεί ο ηλεκτρομαγνητισμός. Visualization of a quantum field theory calculation showing virtual particles in the quantum vacuum. (Specifically, for the strong interactions.) Even in empty space, this vacuum energy is non-zero. If there are additional particles or fields beyond what the Standard Model predicts, they will affect the quantum vacuum and will change the properties of many quantities away from their Standard Model predictions. However, the QCD contribution cannot be calculated perturbatively, the way electromagnetism can. Credit: Derek Leinweber

Το βασικό πράγμα που πρέπει να συνειδητοποιήσουμε είναι ότι αν βρίσκεστε σε οποιαδήποτε τοποθεσία εκτός του ορίζοντα γεγονότων, υπάρχει τουλάχιστον μία πιθανή διαδρομή που θα μπορούσε να ακολουθήσει το φως για να ταξιδέψει σε οποιαδήποτε άλλη τοποθεσία που βρίσκεται επίσης εκτός του ορίζοντα γεγονότων. Η διαφορά στην ενέργεια μηδενικού σημείου του χώρου μεταξύ αυτών των δύο τοποθεσιών μας λέει, όπως προέκυψε για πρώτη φορά στην  εργασία του Hawking το 1974 , ότι η ακτινοβολία θα εκπέμπεται από την περιοχή γύρω από τη μαύρη τρύπα, όπου ο χώρος καμπυλώνεται πιο έντονα.

Η παρουσία του  ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας  είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό, καθώς σημαίνει ότι η ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή της ακτινοβολίας γύρω από αυτήν τη μαύρη τρύπα πρέπει να προέρχεται από τη μάζα, μέσω της εξίσωσης E = mc² του Αϊνστάιν , της ίδιας της μαύρης τρύπας. (Αν και ορισμένοι έχουν υποστηρίξει, πειστικά, ότι μπορεί να είναι δυνατή η παραγωγή αυτής της ακτινοβολίας χωρίς ορίζοντα γεγονότων.) Επιπλέον, το φάσμα της ακτινοβολίας είναι ένα τέλειο μέλαν σώμα με τη θερμοκρασία του να καθορίζεται από τη μάζα της μαύρης τρύπας: οι χαμηλότερες μάζες είναι θερμότερες και οι βαρύτερες μάζες είναι ψυχρότερες.

Το διαστελλόμενο Σύμπαν, φυσικά, δεν έχει ορίζοντα γεγονότων, επειδή δεν είναι μαύρη τρύπα. Ωστόσο, έχει κάτι ανάλογο: έναν κοσμικό ορίζοντα. Αν βρίσκεστε οπουδήποτε στον χωροχρόνο και λάβετε υπόψη έναν παρατηρητή σε άλλη τοποθεσία στον χωροχρόνο, θα σκεφτείτε αμέσως: «Ω, πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον μία πιθανή διαδρομή που θα μπορούσε να ακολουθήσει το φως που να με συνδέει με αυτόν τον άλλο παρατηρητή». Αλλά σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν, αυτό δεν είναι απαραίτητα αλήθεια. Πρέπει να βρίσκεστε αρκετά κοντά ο ένας στον άλλον, ώστε η διαστολή του χωροχρόνου μεταξύ αυτών των δύο σημείων να μην εμποδίζει ποτέ την άφιξη του εκπεμπόμενου φωτός.

Σε ένα Σύμπαν που κυριαρχείται από τη σκοτεινή ενέργεια, υπάρχουν τέσσερις περιοχές: μία όπου όλα μέσα σε αυτό είναι προσβάσιμα, μεταδοτικά και παρατηρήσιμα, μία όπου όλα είναι παρατηρήσιμα αλλά μη προσβάσιμα και μη μεταδοτικά, μία όπου τα πράγματα κάποια μέρα θα είναι παρατηρήσιμα αλλά δεν είναι σήμερα, και μία όπου τα πράγματα δεν θα είναι ποτέ παρατηρήσιμα. Οι αριθμοί με την ετικέτα αντιστοιχούν στην κοσμολογία μας που έχει τεθεί ως κοινή πεποίθηση από το 2024, με όρια 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, 46 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και 61 δισεκατομμυρίων ετών φωτός που χωρίζουν τις τέσσερις περιοχές. Σε κλίμακες ~10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και μεγαλύτερες, το Σύμπαν είναι σχεδόν τέλεια ομοιόμορφο. In a Universe that comes to be dominated by dark energy, there are four regions: one where everything within it is reachable, communicable and observable, one where everything is observable but unreachable and incommunicable, one where things will someday be observable but aren’t today, and one where things will never be observable. The labeled numbers correspond to our consensus cosmology as of 2024, with boundaries of 18 billion light-years, 46 billion light-years, and 61 billion light-years separating the four regions. On scales of ~10 billion light-years and larger, the Universe is almost perfectly uniform. Credit: Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; annotations: E. Siegel

Στο σημερινό μας Σύμπαν, αυτό αντιστοιχεί σε μια απόσταση περίπου 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός μακριά. Αν εκπέμπαμε φως αυτή τη στιγμή, οποιοσδήποτε παρατηρητής σε απόσταση 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από εμάς θα μπορούσε τελικά να το λάβει. Οποιοσδήποτε πιο μακριά δεν θα μπορούσε ποτέ, λόγω της συνεχιζόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Μπορούμε να δούμε πιο μακριά από αυτό επειδή πολλές πηγές φωτός εκπεμπόντουσαν πολύ καιρό πριν. Το πρώτο φως που φτάνει αυτή τη στιγμή, 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, προέρχεται από ένα σημείο που βρίσκεται σήμερα περίπου 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αν ήμασταν πρόθυμοι να περιμένουμε μια αιωνιότητα, τελικά θα λαμβάναμε φως από αντικείμενα που βρίσκονται σήμερα σε απόσταση ~61 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Αυτό είναι το απόλυτο όριο.

Από την οπτική γωνία οποιουδήποτε παρατηρητή, υπάρχει αυτός ο  κοσμολογικός ορίζοντας : ένα σημείο πέρα ​​από το οποίο η επικοινωνία είναι αδύνατη, καθώς η διαστολή του χώρου θα εμποδίσει τους παρατηρητές σε αυτές τις τοποθεσίες να ανταλλάσσουν σήματα πέρα ​​από ένα συγκεκριμένο χρονικό σημείο.

Και όπως ακριβώς η ύπαρξη ενός ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας οδηγεί στη δημιουργία της ακτινοβολίας Hawking, έτσι και η ύπαρξη ενός κοσμολογικού ορίζοντα πρέπει — αν πρόκειται να τηρηθούν οι ίδιοι νόμοι της φυσικής — να δημιουργήσει ακτινοβολία. Σε αυτήν την περίπτωση, η πρόβλεψη είναι ότι το Σύμπαν θα γεμίσει με ακτινοβολία εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας, της οποίας το μήκος κύματος είναι, κατά μέσο όρο, συγκρίσιμο με τον κοσμικό ορίζοντα. Αυτό μεταφράζεται σε θερμοκρασία ~10-30 K : τριάντα τάξεις μεγέθους ασθενέστερη από το τρέχον κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο.

Οι κβαντικές διακυμάνσεις που είναι εγγενείς στο διάστημα, οι οποίες εκτείνονταν σε όλο το Σύμπαν κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού, οδήγησαν στις διακυμάνσεις πυκνότητας που αποτυπώνονται στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, το οποίο με τη σειρά του οδήγησε στη δημιουργία των αστέρων, των γαλαξιών και άλλων μεγάλης κλίμακας δομών στο Σύμπαν σήμερα. Αυτή είναι η καλύτερη εικόνα που έχουμε για το πώς συμπεριφέρεται ολόκληρο το Σύμπαν, όπου ο πληθωρισμός προηγείται και προετοιμάζει τη Μεγάλη Έκρηξη. Δυστυχώς, μπορούμε να έχουμε πρόσβαση μόνο στις πληροφορίες που περιέχονται στον κοσμικό μας ορίζοντα, ο οποίος αποτελεί μέρος του ίδιου κλάσματος μιας περιοχής όπου ο πληθωρισμός έληξε πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. The quantum fluctuations inherent to space, stretched across the Universe during cosmic inflation, gave rise to the density fluctuations imprinted in the cosmic microwave background, which in turn gave rise to the stars, galaxies, and other large-scale structures in the Universe today. This is the best picture we have of how the entire Universe behaves, where inflation precedes and sets up the Big Bang. Unfortunately, we can only access the information contained inside our cosmic horizon, which is all part of the same fraction of one region where inflation ended some 13.8 billion years ago. Credit: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research

Καθώς το Σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται και να ψύχεται, θα έρθει μια στιγμή στο μακρινό μέλλον όπου αυτή η ακτινοβολία θα κυριαρχήσει έναντι όλων των άλλων μορφών ύλης και ακτινοβολίας μέσα στο Σύμπαν. Μόνο η σκοτεινή ενέργεια θα παραμείνει ένα πιο κυρίαρχο συστατικό.

Υπάρχει όμως και μια άλλη εποχή στο Σύμπαν — όχι στο μέλλον αλλά στο μακρινό παρελθόν — όταν το Σύμπαν κυριαρχούνταν επίσης από κάτι άλλο εκτός από την ύλη και την ακτινοβολία: κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού. Πριν συμβεί η καυτή Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν μας διαστελλόταν με τεράστιο και αμείλικτο ρυθμό. Αντί να κυριαρχείται από την ύλη και την ακτινοβολία, το σύμπαν μας κυριαρχούνταν από την ενέργεια πεδίου του πληθωρισμού: ακριβώς όπως η σημερινή σκοτεινή ενέργεια, αλλά πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη σε ισχύ και ταχύτητα διαστολής.

Αν και ο πληθωρισμός επιμηκύνει το Σύμπαν και διαστέλλει τυχόν προϋπάρχοντα σωματίδια μακριά το ένα από το άλλο, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η θερμοκρασία πλησιάζει και ασυμπτώνεται στο απόλυτο μηδέν σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αντίθετα, αυτή η ακτινοβολία που προκαλείται από τη διαστολή, ως συνέπεια του κοσμολογικού ορίζοντα, θα πρέπει στην πραγματικότητα να κορυφώνεται στα υπέρυθρα μήκη κύματος, που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία περίπου ~100 K, ή αρκετά υψηλή για να βράσει υγρό άζωτο.

Από το εξωτερικό μιας μαύρης τρύπας, όλη η ύλη που εισέρχεται θα εκπέμπει φως και θα είναι πάντα ορατή, ενώ τίποτα από πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων δεν μπορεί να βγει. Αλλά αν ήσασταν εσείς αυτός που έπεσε σε μια μαύρη τρύπα, η ενέργειά σας θα μπορούσε ενδεχομένως να επανεμφανιστεί ως μέρος μιας καυτής Μεγάλης Έκρηξης σε ένα νεογέννητο Σύμπαν. From outside a black hole, all the infalling matter will emit light and is always visible, while nothing from behind the event horizon can get out. But if you were the one who fell into a black hole, your energy could conceivably re-emerge as part of a hot Big Bang in a newborn Universe. Credit: Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado

Αυτό σημαίνει ότι αν ποτέ θέλατε να ψύξετε το Σύμπαν στο απόλυτο μηδέν, θα έπρεπε να σταματήσετε εντελώς την επέκτασή του. Εφόσον το ίδιο το ύφασμα του διαστήματος έχει μια μη μηδενική ποσότητα ενέργειας εγγενή σε αυτό, θα διαστέλλεται. Εφόσον το Σύμπαν διαστέλλεται αδιάκοπα, θα υπάρχουν περιοχές που χωρίζονται από μια απόσταση τόσο μεγάλη που το φως, όσο κι αν περιμένουμε, δεν θα μπορεί να φτάσει τη μία τέτοια περιοχή από την άλλη. Και όσο ορισμένες περιοχές είναι απρόσιτες, θα έχουμε έναν κοσμολογικό ορίζοντα στο Σύμπαν μας και ένα λουτρό θερμικής, χαμηλής ενέργειας ακτινοβολίας που δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί. Αυτό που δεν έχει ακόμη καθοριστεί είναι αν, όπως ακριβώς η ακτινοβολία Hawking σημαίνει ότι οι μαύρες τρύπες τελικά θα εξατμιστούν, έτσι και αυτή η μορφή κοσμικής ακτινοβολίας θα προκαλέσει ουσιαστικά την αποσύνθεση της σκοτεινής ενέργειας του Σύμπαντός μας.

Όσο καθαρά κι αν είστε σε θέση να φανταστείτε ένα άδειο Σύμπαν χωρίς τίποτα μέσα του, αυτή η εικόνα απλά δεν συμβαδίζει με την πραγματικότητα. Η επιμονή ότι οι νόμοι της φυσικής παραμένουν έγκυροι είναι αρκετή για να καταργήσει την ιδέα ενός πραγματικά άδειου Σύμπαντος. Όσο υπάρχει ενέργεια μέσα σε αυτό - ακόμη και η ενέργεια μηδενικού σημείου του κβαντικού κενού είναι επαρκής - θα υπάρχει πάντα κάποια μορφή ακτινοβολίας που δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί. Το Σύμπαν δεν ήταν ποτέ εντελώς άδειο, και όσο η σκοτεινή ενέργεια δεν διασπάται εντελώς, ούτε θα είναι ποτέ.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά τον Ιούλιο του 2023. Ενημερώθηκε τον Σεπτέμβριο του 2025.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-wasnt-empty-before-big-bang/?utm_source=substack&utm_medium=email&utm_campaign=swab