Τι υπήρχε πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη;

ΑΠΟ ΤΙΣ ΦΥΣΙΚΟΜΑΘΗΜΑΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ

ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ ΛΑΣΚΟΥ

Σύμφωνα με μια θεωρία, αν ανακαλύψει ποτέ κανείς για ποιο σκοπό ακριβώς υπάρχει και σε τι εξυπηρετεί, το Σύμπαν θα εξαφανιστεί αμέσως και θα αντικατασταθεί από κάτι ακόμη πιο παράξενο και μυστηριώδες. Σύμφωνα με μια άλλη θεωρία, αυτό έχει ήδη συμβεί.

ΝΤΑΓΚΛΑΣ ΑΝΤΑΜΣ

ΠΟΛ ΣΤΑΪΝΧΑΡΝΤ, ΝΙΛ ΤΟΥΡΟΚ, Αέναο Σύμπαν, μετάφραση: Γιώργος Χρηστίδης, εκδόσεις ΑΒΓΟ, σελ. 360

Όπως είναι γνωστό ακόμη και στους λιγότερο ενδιαφερόμενους για τα ζητήματα της αστροφυσικής και της κοσμολογίας, η θεωρία που έχει κυριαρχήσει τις τελευταίες δεκαετίες –και ειδικά μετά από την ανακάλυψη της ακτινοβολίας υποβάθρου στη δεκαετία του ’60- είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης, του Big Bang, όπως ειρωνικά καταρχήν την ονόμασε ένας από τους μεγαλύτερους και διαρκέστερους πολέμιούς της, ο Φρεντ Χόυλ. Ο Χόυλ, υποστηρικτής ο ίδιος της εναλλακτικής θεωρίας της Σταθερής Κατάστασης (Steady State) δεν παραδέχτηκε ποτέ την ήττα, μ’ όλο που διαρκώς εμφανίζονταν νέα στοιχεία, που φαίνονταν να επιβεβαιώνουν τους bigbangers.

Ανεξάρτητα, ωστόσο, από τις αντιδράσεις κορυφαίων επιστημόνων σε όλη τη διάρκεια της κατίσχυσης της θεωρίας, αυτή σήμερα είναι πλέον ύλη των σχολικών εγχειριδίων. Και όσοι δεν είναι εντελώς αδιάβαστοι ξέρουν πως από πολλά ισχυρά στοιχεία προκύπτει πως το Σύμπαν γεννήθηκε πριν από 14 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια με εναρκτήρια πράξη την «έκρηξη» ενός υπέρθερμου και υπέρπυκνου κοσμικού «ατόμου» με απειροστές διαστάσεις, μιας μοναδικότητας (singularity) στη γλώσσα των μαθηματικών. Και, έκτοτε, διαστέλλεται και ψύχεται με άδηλο το μέλλον του να εξαρτάται από την πυκνότητα της υλοενέργειας στο «εσωτερικό» του.

Δεν μπορούμε, προφανώς, εδώ να μπούμε σε λεπτομερή περιγραφή της επικρατούσας θεωρίας –το βιβλίο που παρουσιάζουμε το κάνει. Αυτό που πρέπει, όμως, να είναι σαφές είναι το οντολογικό της περιεχόμενο: σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, η θέση πως «το Σύμπαν γεννήθηκε πριν από 14 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια» σημαίνει περισσότερα από ό,τι καταρχήν φαίνεται να δηλώνει. Διότι στο Σύμπαν περιλαμβάνεται τόσο ο χώρος όσο και ο χρόνος, πράγμα που οδηγεί στην ιδέα πως «πριν» από την Μεγάλη Έκρηξη δεν υπήρχε τίποτε. Δεν υπήρχε ούτε χώρος ούτε χρόνος. Ο χώρος και ο χρόνος είναι δημιουργήματα της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης. Ο χρόνος, λοιπόν, της Μεγάλης Έκρηξης είναι ο χρόνος μηδέν με απόλυτους όρους.  Τίποτε δεν συνέβαινε «πριν» και, αν η μοίρα του Σύμπαντος ήταν να επανέλθει στην αρχή μέσα από μια Μεγάλη Σύνθλιψη, τίποτε δεν θα συμβαίνει «μετά».

Η Μεγάλη Έκρηξη περιγράφει μια δημιουργία ex nihilo, εκ του μηδενός. Και το μηδέν εδώ δεν επιδέχεται το ελάχιστο παραπλήρωμα –είναι ακριβώς μηδέν. Ίσως μόνον ένα Πνεύμα «να υπερίπταται των υδάτων» αν έχουμε αρκετή πίστη.

***

Η επικράτηση της θεωρίας, ωστόσο, δεν σημαίνει πως δεν εμφάνισε και δεν εμφανίζει ακόμη σημαντικότατα προβλήματα. Η ίδια η εξέλιξή της, άλλωστε, και η εξακολουθητική τροποποίηση πολλών από τα θεμελιώδη αρχικά χαρακτηριστικά της το φανερώνει. Η ειδική «ρύθμιση» των πρόσθετων στοιχείων –όπως η σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια ή ο πληθωρισμός, δηλαδή η πρόταση πως σε μια αρχική, απειροελάχιστη χρονικά, φάση αμέσως μετά την «αρχή», η ταχύτητα διαστολής υπήρξε ασύλληπτα μεγαλύτερη από αυτήν του φωτός[1]- ώστε να συμφωνήσουν με τις παρατηρήσεις είναι ενδεικτική.

Αν δούμε συνοπτικά το καθιερωμένο σενάριο μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε τον αυθαίρετο χαρακτήρα πολλών από τις βασικές προσαρμογές. Έτσι, εκεί που όλα ξεκίνησαν με ένα πολύ απλό μοντέλο, βάσει του οποίου το αρχικό ανεξήγητο συμβάν της Μεγάλης Έκρηξης ακολούθησε η διαστολή του Σύμπαντος και η «τακτοποιημένη» εμφάνιση της ακτινοβολίας και της ύλης, των στοιχειωδών σωματιδίων και της νουκλεοσύνθεσης, των ατόμων και των μορίων, για να ακολουθήσει η δημιουργία των γαλαξιών, των άστρων και των αστρικών συστημάτων, τα κενά που ανέκυψαν λόγω κυρίως των παρατηρήσεων μεγάλης κλίμακας έκαναν αναγκαία τη ριζική τροποποίησή του. Προστέθηκε, λοιπόν, και η αρχική πληθωριστική φάση, κατά την οποία μια μικρή περιοχή του αρχέγονου Σύμπαντος –το σημερινό αστρονομικό μας Σύμπαν- διογκώθηκε σε μέγεθος κατά ένα γκούγκολ (10¹⁰⁰, δηλαδή ο αριθμός 1 ακολουθούμενος από 100 μηδενικά!) μέσα σε ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού (10^-30) του δευτερολέπτου. Μετά από αυτήν την δραματική παρεμβολή τα πράγματα ακολούθησαν το δρόμο τους, όπως περίπου το αρχικό μοντέλο περιέγραφε.

Μέχρι που πρόσφατα απαιτήθηκε μια ακόμη μεγάλη προσθήκη.  Στο μέτρο που οι νέες αστρονομικές παρατηρήσεις –των δορυφόρων COBE και WMAP- το επιτάσσουν, η νέα εικόνα περιλαμβάνει μια νέα μυστηριώδη δύναμη, τη σκοτεινή ενέργεια, η οποία, αναλαμβάνοντας τα ηνία 9 δισεκατομμύρια χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, επιταχύνει εκ νέου τη διαστολή –και για πάντα, πλέον- οδηγώντας το Σύμπαν σε μια κατάσταση αχανούς και σχεδόν τέλειου κενού.  

Πόσες, άραγε, ακόμη τροποποιήσεις, πόσες ad hoc παρεμβάσεις και προσθήκες θα απαιτηθούν, ώστε το μοντέλο να διατηρεί την ισχύ του;  Πόσες «ατέλειες» και πόσες «ειδικές ρυθμίσεις» μπορούν να γίνουν αποδεκτές;  

Με αυτά τα ερωτήματα κατά νου, οι Στάινχαρντ και Τούροκ στο Αέναο Σύμπαν προσφέρουν μια εναλλακτική θεωρία για το Σύμπαν, σύμφωνα με την οποία η κοσμική ιστορία αποτελείται από επαναλαμβανόμενους κύκλους εξέλιξης. Όπως οι ίδιοι σημειώνουν, «[κ]άθε κύκλος έχει ως αφετηρία του μια έκρηξη, όμως το γεγονός της έκρηξης δεν αποτελεί την αρχή του χώρου ή του χρόνου. Αντιθέτως, πρόκειται για ένα γεγονός που έχει ένα «πριν» κι ένα «μετά», και το οποίο μπορεί να περιγραφεί από τους νόμους της φυσικής. Κάθε κύκλος επηρεάζει τον επόμενο. Όλα όσα συνέβησαν πριν από την τελευταία έκρηξη διαμόρφωσαν τη δομή μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος την οποία παρατηρούμε σήμερα, ενώ όλα όσα συμβαίνουν σήμερα θα καθορίσουν τη δομή του Σύμπαντος στον επόμενο κύκλο. Ενδεχομένως ο χώρος και ο χρόνος να γεννήθηκαν πολλούς κύκλους πριν, είναι όμως επίσης πιθανό να είναι κυριολεκτικά «άπειροι»». Έτσι, «η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν ένα μοναδικό γεγονός. Το Σύμπαν περνάει από διαδοχικούς κύκλους εξέλιξης και κάθε κύκλος έχει τη δική του μεγάλη έκρηξη, η οποία γεννά θερμή ύλη και ακτινοβολία. Η ύλη και η ακτινοβολία επεκτείνονται και ψύχονται, για να σχηματίσουν τους γαλαξίες και τα άστρα που παρατηρούμε σήμερα. Στη συνέχεια, η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται, με αποτέλεσμα η ύλη να αραιώνει τόσο πολύ, που το διάστημα να πλησιάζει σε μια κατάσταση σχεδόν τέλειου κενού. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας, ένα τρισεκατομμύριο χρόνια μετά την εκκίνησή της, έχουμε μια νέα μεγάλη έκρηξη και ο κύκλος ξεκινάει από την αρχή». 

Το Αέναο Σύμπαν, ωστόσο, δεν παρουσιάζει απλώς την θεωρία τους. Είναι, πριν απ’ όλα, ένας εξαιρετικός οδηγός σε όλα τα επιστημονικά προαπαιτούμενα της σύγχρονης κοσμολογίας. Χτίζει σιγά σιγά και γλαφυρά τους δρόμους, ώστε η κοσμολογική συζήτηση, που διεξάγεται τα τελευταία 30 χρόνια, να είναι κατά το δυνατόν προσβάσιμη σε οποιοδήποτε επαρκή αναγνώστη χωρίς πολύ εξειδικευμένες γνώσεις. Κι έτσι γίνεται μια πολύτιμη εισαγωγή σε σχετικά θέματα πυρηνικής φυσικής, φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, θερμοδυναμικής, αστροφυσικής, σχετικιστικής κοσμολογίας, κβαντικής μηχανικής, μαθηματικών πολλών διαστάσεων και θεωρίας χορδών και βρανών, μεταξύ πολλών άλλων.  Χωρίς, ωστόσο, να αποκτά εγχειριδιακό χαρακτήρα στο μέτρο που όλα όσα εκτίθενται, από τις πιο ποικίλες φυσικομαθηματικές περιοχές, είναι αναγκαία για την έκθεση.

Η θεωρία των χορδών και τα μαθηματικά πολλών διαστάσεων δεν αποτελούν, έτσι, θεωρητικά εκθέματα προς εντυπωσιασμό του αναγνώστη αλλά είναι απαραίτητα για τη δόμηση του επιχειρήματός τους. Γιατί, στη δική τους εικόνα, το Σύμπαν μας είναι μέλος ενός ζεύγους Συμπάντων[2], εμβαπτισμένων σε ένα πολυδιάστατο συνεχές. « [Έ]να μικροσκοπικό κενό κατά μήκος μιας τέταρτης διάστασης χωρίζει τον καθημερινό τρισδιάστατο «κόσμο» μας –όλα τα πράγματα που μπορούμε να αγγίξουμε, να αισθανθούμε ή να δούμε- από έναν άλλο, απρόσιτο και τρισδιάστατο «κόσμο», τον οποίο δεν μπορούμε να νιώσουμε με τις αισθήσεις μας. Τα άτομα και το φως μπορούν να κινηθούν κατά το ύψος, το μήκος και το πλάτος αυτού του κόσμου, όμως οι νόμοι της θεωρίας των χορδών απαγορεύουν την κίνησή τους στην πρόσθετη διάσταση. Ο δεύτερος κόσμος διαθέτει τις δικές του μορφές ύλης και φωτός, αλλά ούτε αυτές μπορούν να διασχίσουν την τέταρτη διάσταση  Το αποτέλεσμα είναι οι δύο κόσμοι να παραμένουν πλήρως απομονωμένοι ο ένας από τον άλλο, με μία εξαίρεση: αλληλεπιδρούν με τη μεσολάβηση της δύναμης της βαρύτητας», κατά μήκος της τέταρτης διάστασης. Με αυτόν τον τρόπο έλκει ο ένας κόσμος τον άλλο, με αποτέλεσμα να προσεγγίζουν και να συγκρούονται μεταξύ τους σε τακτά χρονικά διαστήματα. Το γεγονός της σύγκρουσης είναι αυτό που λέμε Μεγάλη Έκρηξη. Όλα τ’ άλλα έπονται κανονικά!

---

[1] Ένα βασικό σενάριο δέχεται πως ο πληθωρισμός κράτησε μόλις 10^-30 δευτερόλεπτα και στο χρόνο αυτό το Σύμπαν διπλασιάζονταν κάθε 10^-35 δευτερόλεπτα, με αποτέλεσμα να διπλασιαστεί 100000 φορές μέσα στα 10^-30 δευτερόλεπτα. Η εισαγωγή της ιδέας του πληθωρισμού υπήρξε αναγκαία προκειμένου να απαντηθούν τα τρία μεγάλα αινίγματα της σύγχρονης κοσμολογίας: της ομοιογένειας, της ελάχιστης αναγκαίας ανομοιογένειας και της επιπεδότητας του σημερινού Σύμπαντος, όπως προκύπτει από όλες τις παρατηρήσεις και έμεναν ολοκληρωτικά ανεξήγητα στο πλαίσιο της αρχικής εκδοχής της Μεγάλης Έκρηξης.

[2] Ενός ζεύγους τρισδιάστατων βρανών για την ακρίβεια, εξού και η ανάγκη για τη θεωρία των χορδών, απλή μαθηματική επέκταση της οποίας είναι αυτή των βρανών (η χορδή δεν είναι παρά βράνη μιας μόνο διάστασης.