Από τις φυσικομαθηματικές επιστήμες

ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ ΛΑΣΚΟΥ

Θεόδωρος Ζαφειρόπουλος, 20.000 λεύγες από τη Γή στη Σελήνη, 2015, βίντεο

LAWRENCE M. KRAUSS, Σκοτεινή ύλη, Μετάφραση: Θεοφάνης Γραμμένος, εκδόσεις Τραυλός, σελ. 612

Πεμπτουσία: (αρχαία φιλοσοφία) quinta essentia, το υλικό των αστέρων, το οποίο σχηματίζει τα ουράνια σώματα και διαπερνά όλα τα πράγματα∙ σε αντίθεση με τα τέσσερα στοιχεία (φωτιά, αέρας, νερό και γη) στα οποία θεωρείτο ότι ενυπάρχει όλη η υπόλοιπη ύλη.

ΛΗΜΜΑ ΛΕΞΙΚΟΥ

Η πεμπτουσία του Σύμπαντος;

Είναι μέρος της κοινής γνώσης, πλέον, πως το σύμπαν μας είναι διαστελλόμενο. Παρόλο που το σχολείο στην Ελλάδα ελάχιστα συμβάλλει μέσα από το αναλυτικό πρόγραμμα των φυσικομαθηματικών επιστημών στη διάχυση της κοσμολογικής γνώσης, οι περισσότεροι κάτι έχουν ακούσει για το Big Bang.

Η εικόνα, λοιπόν, ενός σύμπαντος εξελισσόμενου στο χωροχρόνο, του οποίου οι διαστάσεις μεγεθύνονται –ή αλλιώς οι αποστάσεις στο «εσωτερικό» του αυξάνονται προϊόντος του χρόνου- είναι αρκετά διαδεδομένη. Όπως και η εύλογη σύλληψη πως κάποτε πίσω στο χρόνο όλα ήταν πολύ κοντύτερα μεταξύ τους∙  στην «αρχή», μάλιστα, του χρόνου ήταν συγκεντρωμένα σε ένα «αρχέγονο αυγό», από όπου ξεκίνησαν τα πάντα.

Στην θεώρηση του Big Bang, αυτό το πρωταρχικό αυγό, αυτό το πρώτο σημείο είχε πυκνότητα που προσέγγιζε το άπειρο, με την συνολική σήμερα κολοσσιαία ύλη του σύμπαντος συγκεντρωμένη σε ένα «χώρο» μηδενικής ακτίνας, με θερμοκρασία να αγγίζει το άπειρο. Η «έκρηξη» αυτού του κοσμικού αρχέγονου πυρήνα έδωσε την αρχική ώθηση για τη διαμόρφωση όλων όσων παρατηρούμε σήμερα, αποτέλεσε το πρώτο κινούν αίτιο του κόσμου μας.

Η Μεγάλη Έκρηξη, δια της οποίας ξεκίνησε το παρατηρήσιμο Σύμπαν την ύπαρξή του, εκτυλίσσεται τα τελευταία 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια αυξάνοντας τις διαστάσεις του κόσμου και δίνοντας την βάση για τη δημιουργία των  ποικίλων κοσμικών δομών. Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, οι ακτινοβολίες, όλη η ζούγκλα των θεμελιωδών συστατικών που συγκροτούν την ύλη προέκυψαν από τις διαδικασίες που πυροδότησε η Μεγάλη Έκρηξη. Στη συνέχεια, ο τρόπος που όλα αυτά εξελίχθηκαν, συσσωματώθηκαν και αποτέλεσαν τα αντικείμενα του μακρόκοσμου, από τους βράχους μέχρι τους πλανήτες, τα άστρα, τους γαλαξίες, τα σμήνη και τα υπερσμήνη γαλαξιών καθορίστηκε κατεξοχήν από αυτό το πρωταρχικό γεγονός

Ό,τι υφίσταται, λοιπόν, είναι γέννημα του Big Bang, της Μεγάλης Έκρηξης. Όχι, όμως, μόνο ό,τι προέκυψε στο παρελθόν ή ό,τι ισχύει στο παρόν. Το μέλλον, σε απόλυτο βαθμό, καθορίζεται, επίσης, από τις αρχικές συνθήκες του πρωταρχικού γεγονότος. Έτσι το αν το Σύμπαν είναι ανοιχτό ή κλειστό, αν θα συνεχίσει διαστελλόμενο για πάντα ή θα ολοκληρώσει σε κάποια χρονική στιγμή την επέκτασή του και θα κάνει τη «μεγάλη αναστροφή» στην πορεία του οδεύοντας συστελλόμενο προς τη Μεγάλη Σύνθλιψη, επιστρέφοντας στο αυγό από το οποίο ξεκίνησαν όλα εξαρτάται από τους όρους υπό τους οποίους συνέβη η Μεγάλη Έκρηξη. Το καταπληκτικό δε είναι πως όλα αυτά έχουμε τη δυνατότητα εμείς σήμερα, από το σημείο στο οποίο βρισκόμαστε, να τα σκεφτούμε και να διατυπώσουμε, μάλιστα, προβλέψεις[1]. 

Τι θα συμβεί, λοιπόν; Είναι το μέλλον του Σύμπαντος η αέναη διαστολή, που θα αραιώνει το υπάρχον υλικό του, μέχρις ότου ο κόσμος δεν θα είναι παρά ένα τεράστιο κενό σχεδόν μηδενικής θερμοκρασίας και με ελάχιστο ενεργειακό περιεχόμενο –χωρίς δυνατότητα περαιτέρω εξέλιξης; Είναι, πάει να πει, το μέλλον μια κατάσταση θερμικού θανάτου εκτεινόμενη σε τερατώδεις και διαρκώς αυξανόμενες διαστάσεις;

Ή θα πρέπει να εξοικειωθούμε με την ιδέα ενός μέλλοντος υπέρθερμου, που θα προκύψει, από ένα σημείο κι έπειτα, από την συρρίκνωση του σημερινού Σύμπαντος μέσα από μια διαδικασία, κατά την οποία «όλα όσα απομακρύνθηκαν θα ξαναπροσεγγίσουν»; Μια διαδικασία, δηλαδή, η οποία θα επαναφέρει τελικά το σύνολο του κόσμου στην συνθήκη του αρχέγονου αυγού;

Σήμερα ξέρουμε πως η απάντηση στα σχετικά ερωτήματα εξαρτάται από τη μέτρηση πολύ συγκεκριμένων μεγεθών και κυρίως της πυκνότητας της ύλης, που περιέχεται στο Σύμπαν. Αν αυτή υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή τότε το σενάριο της συρρίκνωσης είναι βέβαιο –διαφορετικά, αυτό που θα επέλθει είναι η απέραντη κενότητα του θερμικού θανάτου. Στην πράξη, οι κοσμολόγοι, όταν συζητούν τα σχετικά ζητήματα, αναφέρονται στον παράγοντα Ω, στο λόγο, δηλαδή, της μετρούμενης πυκνότητας προς την κρίσιμη πυκνότητα της ύλης. Αν ισχύει πως Ω>1 το Σύμπαν είναι κλειστό. Στην περίπτωση που Ω<1 font="">

Ε, λοιπόν, οι παρατηρήσεις μας ενισχύουν την άποψη πως το Ω μάλλον είναι ακριβώς 1! Όσο κι αν αυτό είναι καταπληκτικό, ωστόσο, δεν παύει να αποτελεί πρόβλημα, το «πρόβλημα της επιπεδότητας»[2]. Και  ο λόγος είναι πως η μάζα που απαιτείται για να συμβαίνει αυτό δεν φαίνεται να υπάρχει. Αντίθετα, η υπάρχουσα μάζα αποτελεί μόλις το 4% της αναγκαίας προκειμένου να εξηγείται η «επιπεδότητα» -και όχι μόνο αυτή.

Μια λύση στο πρόβλημα είναι, προφανώς, να θεωρήσουμε πως η μάζα που παρατηρούμε αντιστοιχεί σε ένα πολύ μικρό κλάσμα της συνολικής ύλης του Σύμπαντος. Η οποία, για κάποιους λόγους, δεν υποπίπτει στην παρατήρησή μας[3]. Την ιστορία της έρευνας για αυτήν την «Σκοτεινή Ύλη» αφηγείται ο Κράους με εξαιρετικό τρόπο. Εκθέτοντας όλες τις εκδοχές, από τα άφθονα νετρίνα, που παράχθηκαν με αμελητέες μάζες, αλλά σε τεράστιες ποσότητες, στις αρχικές φάσεις, μέχρι τα αξιόνια και τα μαγνητικά μονόπολα –μέγιστη παραδοξότητα, αν θυμηθείτε από την Φυσική του σχολείου πως οι μαγνήτες εμφανίζονται πάντοτε με δύο πόλους, ποτέ με έναν.  Ή από τα πιο συμβατικά, νεκρά αστρικά υπολείμματα μέχρι τις πιθανόν άφθονες όσο και αφανείς μαύρες τρύπες, που κατακλύζουν τον χώρο.

Εφιστώντας, επιπλέον, την προσοχή μας στην πιθανότητα να μην πρόκειται καν για μάζα, όσο εξωτική κι αν είναι αυτή. Αλλά το «υλικό» που δίνει την πυκνότητα ενέργειας, την απαιτούμενη για να έχουμε επίπεδο Σύμπαν, να οφείλεται κατά το 1/3 σε συνηθισμένη και εξωτική μάζα και, κατά τα υπόλοιπα, 2/3 σε σκοτεινή «ενέργεια κενού». Η οποία, εκτός των άλλων, συμπεριφέρεται έτσι ώστε η συνολική πυκνότητα ενέργειας να παραμένει σταθερή παρόλο που το Σύμπαν διαστέλλεται –και συνεπώς θα έπρεπε να «αραιώνει»! Φανερώνοντας, έτσι, ένα κενό «υπερδραστήριο» και καθοριστικά επιδραστικό στη διαστολή του Σύμπαντος, την οποία επιταχύνει! Παράδοξα; Όσο αυτά που περιέχονται σε κάθε καλό βιβλίο σύγχρονης Φυσικής.

Ο Κράους τελειώνει το βιβλίο του με μια παράγραφο, η οποία, νομίζω, υπερβαίνει σε σημασία τον επιλογικό ρόλο, που της ανατέθηκε, μιλώντας για το «μύθο» της επιστήμης ευρύτερα. Αποφαινόμενος, δηλαδή, εμμέσως για θέματα επιστημολογικής υφής. Γράφει: «Παρότι δεν αποκλείεται κάποια από όσα περιέγραψα να είναι λάθος, υπάρχει επίσης πιθανότητα πολλά από αυτά να είναι σωστά. Ακόμη πιο συγκλονιστικό είναι το γεγονός ότι στην επιστήμη μπορούμε να διακρίνουμε ανάμεσα στα δύο. Ίσως δεν καταφέρουμε ποτέ να αποδείξουμε  ότι μια θεωρία είναι απολύτως σωστή. Ένα νέο πείραμα ενδεχομένως πάντα να ελλοχεύει στη γωνία, για να διαφωνήσει με τις προβλέψεις μας. Ωστόσο, το να αποδείξεις ότι μια θεωρία είναι λάθος είναι πολύ εύκολο.

Υπό αυτήν την έννοια, πιστεύω ότι η ιστορία της αναζήτησης σκοτεινής ύλης είναι, στον μικρόκοσμο, η ιστορία της σύγχρονης φυσικής. Το μόνο πιο εκπληκτικό από αυτές τις τολμηρές και φανταστικές ιδέες σχετικά με την φύση είναι το γεγονός ότι πολλές από αυτές φαίνεται να περιγράφουν σωστά τον κόσμο, στον οποίο ζούμε. Όχι, ανακαλώ. Ακόμη πιο αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι έχουμε την ικανότητα να διακρίνουμε τη διαφορά. είτε η σκοτεινή ύλη αποτελείται από εξωτικά νέα σωματίδια είτε όχι, τα περισσότερα στοιχεία της ιστορίας που ανέπτυξα εδώ θα επιβιώσουν από τον έλεγχο του χρόνου, επειδή έχουν επιβιώσει από τον έλεγχο του πειράματος. Ακόμη κι αν αποδειχτεί πως μεγάλο μέρος της σημερινής αποδεκτής σοφίας σχετικά με την σκοτεινή ύλη ή ενέργεια στο σύμπαν, και τον ρόλο της στον σχηματισμό δομών, χρήζει αναθεώρησης, και σύντομα θα ξέρουμε, και πάλι έχουμε ωφεληθεί. Στο τέλος θα κατανοούμε καλύτερα το σύμπαν και την θέση μας μέσα σε αυτό. Ασφαλώς, τα πράγματα θα μπορούσαν να ήταν χειρότερα».    

---

[1] Για μια εξαιρετική προσέγγιση στις θεμελιώδεις κοσμολογικές θεωρίες, από έναν πρωταγωνιστή του πεδίου για πολλά χρόνια βλ. Jayant Narlikar, The Structure of the Universe, Oxford University Press, 1977, Ch. 4: Theories of the Universe, pp. 105-139

[2] Προκειμένου για μια γνωριμία με την μεγάλης κλίμακας δομή και αρχιτεκτονική του Σύμπαντος βλ. James Cornell (ed.), Bubbles, voids and bumps in Time: The New Cosmology, Cambridge University Press, 1989, Ch. 3: Margaret Geller, Mapping the Universe: slices and bubbles, pp 50-72

[3] Μία από τις καλύτερες πρώτες εισαγωγές στα ζητήματα της ελλείπουσας ύλης είναι το: Roger Tayler, The Hidden Universe, John Wiley and Sons, 1994