Για να κατανοήσετε το Σύμπαν μας, κοιτάξτε τις πρώτες στιγμές του

Πριν από λίγο περισσότερο από έναν αιώνα γεννήθηκε η επιστήμη της κοσμολογίας. Από τις ριζοσπαστικές ιδέες του Άλμπερτ Αϊνστάιν και τις παρατηρητικές αποδείξεις ότι το διάστημα διαστέλλεται, προέκυψε το σύγχρονο κοσμολογικό παράδειγμα γνωστό ως Big Bang. Για πρώτη φορά στην ιστορία, τα ανθρώπινα όντα είχαν αρχίσει να καταλαβαίνουν πώς ξεκίνησε το Σύμπαν τους.

Μετά από δεκαετίες παρατήρησης και μετρήσεων, γνωρίζουμε τώρα με κάποια λεπτομέρεια πώς το Σύμπαν μας επεκτάθηκε και εξελίχθηκε σε όλες εκτός από τις πρώτες στιγμές της ιστορίας του.

Οποιοσδήποτε αριθμός παρατηρήσεων έχει επιβεβαιώσει τις προβλέψεις της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης σε έναν απίστευτο και ειλικρινά απροσδόκητο βαθμό. Ο ρυθμός με τον οποίο το Σύμπαν μας επεκτάθηκε τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια συμφωνεί με τις εξισώσεις που προέκυψαν από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν πριν από σχεδόν εκατό χρόνια, και οι μετρήσεις της μεγάλης κλίμακας κατανομής των γαλαξιών και των σμηνών γαλαξιών δεν διακρίνονται από αυτές που η θεωρία προβλέπει.

Και το πιο εντυπωσιακό από όλα, το λεπτομερές μοτίβο των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας που παρατηρούνται σε όλο το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων ήταν ένας θησαυρός για τους κοσμολόγους, αποκαλύπτοντάς μας τα πάντα, από την ποσότητα της ύλης που υπάρχει στο Σύμπαν μας, μέχρι τη μεγάλης κλίμακας γεωμετρία του ίδιου του διαστήματος.

Από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι σήμερα, έχουμε μια πλούσια σειρά από παρατηρήσεις και μετρήσεις στις οποίες πρέπει να βασιστούμε, και αυτή η συλλογή δεδομένων μας έχει αφήσει σίγουρους ότι κατανοούμε πολύ καλά αυτό το τμήμα της ιστορίας του Σύμπαντος μας.

Διαβάστε περισσότερα για την κοσμολογία:

• Τι θα γινόταν αν η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή;
• Το κυνήγι για τους παλαιότερους γαλαξίες στο Σύμπαν

Μαζί με τη συντριπτική πλειονότητα των άλλων κοσμολόγων, θα συγκλονιζόμουν αν αυτό το μέρος της χρονολογίας αποδεικνυόταν ότι είναι ουσιαστικά λάθος – υπάρχουν απλώς πάρα πολλές διαφορετικές και ισχυρές αποδείξεις που υποστηρίζουν την τρέχουσα κατανόησή μας για αυτήν τη σειρά γεγονότων.

Το να μάθουμε ότι το κάναμε πολύ λάθος θα ήταν σαν να ανακαλύψαμε ότι δεν είχε υπάρξει ποτέ Αμερικανικός Εμφύλιος Πόλεμος ή ότι ο Χριστόφορος Κολόμβος στην πραγματικότητα αποβιβάστηκε στην Ουαλία τον 12ο αιώνα και όχι στις Δυτικές Ινδίες το 1492. Αν και είναι καλό να κρατήσουμε ανοιχτό μυαλό σχετικά με το τι μπορεί να έχετε κάνει λάθος, σε ορισμένες περιπτώσεις τα στοιχεία είναι πολύ ισχυρά για να σκεφτούμε εύλογα ότι είναι εντελώς λάθος.

Αλλά καθώς πηγαίνουμε πιο πίσω στην κοσμική ιστορία, η αυτοπεποίθησή μας αρχίζει να μειώνεται. Μεταξύ των πρώτων δευτερολέπτων και μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, εξακολουθούμε να έχουμε αρκετά ουσιαστική υποστήριξη για αυτό που περιγράφεται στο τυπικό χρονοδιάγραμμα.

Οι παρατηρήσεις και οι μετρήσεις μας λένε ότι ο ρυθμός διαστολής και οι ποσότητες ύλης και ενέργειας στο Σύμπαν μας δεν μπορεί να ήταν πολύ διαφορετικοί από εκείνους που προέβλεπαν οι υπολογισμοί μας. Τούτου λεχθέντος, εξακολουθεί να είναι εύλογο ότι σημαντικά και άγνωστα κοσμολογικά γεγονότα μπορεί να έχουν λάβει χώρα κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.

Οι πληροφορίες που έχουμε για τα πρώτα εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια του Σύμπαντος μας είναι σημαντικές, αλλά δεν είναι εξαντλητικές.

Τα μυστήρια των πρώτων δευτερολέπτων του Σύμπαντος

Φτάνοντας ακόμα πιο πίσω – στα πρώτα δευτερόλεπτα και σε κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – μεταβαίνουμε από το να έχουμε ελλιπείς πληροφορίες στο να μην έχουμε ουσιαστικά άμεσες παρατηρήσεις στις οποίες να βασιστούμε. Αυτή η εποχή παραμένει κρυμμένη από την οπτική μας, θαμμένη κάτω από αδιαπέραστα στρώματα ενέργειας, απόστασης και χρόνου.

Η κατανόησή μας για αυτήν την περίοδο της κοσμικής ιστορίας είναι, από πολλές απόψεις, κάτι περισσότερο από μια τεκμηριωμένη εικασία, που βασίζεται σε συμπεράσματα και προέκταση.

Παρά όλες τις επιτυχίες της σύγχρονης κοσμολογίας, υπάρχουν πολλά για το Σύμπαν μας που παραμένουν άγνωστα. Το πιο διάσημο από αυτά τα μυστήρια είναι αυτό της σκοτεινής ύλης.

Οι αστρονόμοι και οι κοσμολόγοι έχουν καθορίσει πόση ύλη υπάρχει στο Σύμπαν μας με πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας, και είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που υπάρχει με τη μορφή ατόμων. Μετά από δεκαετίες μετρήσεων και συζητήσεων, είμαστε πλέον βέβαιοι ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο Σύμπαν μας δεν αποτελείται από γνωστές ουσίες, αλλά από κάτι άλλο που δεν ακτινοβολεί, δεν ανακλά ή δεν απορροφά αισθητά φως.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι φυσικοί έχουν εμπλακεί σε ένα φιλόδοξο πειραματικό πρόγραμμα που επιδιώκει να αποκαλύψει τι είναι αυτή η ουσία και πώς σχηματίστηκε στη Μεγάλη Έκρηξη. Όμως, παρά την αρχική αισιοδοξία, παραμένουμε αγνοώντας τη σκοτεινή ύλη και τη φύση της.

Τα πειράματα έγιναν όπως ακριβώς σχεδιάστηκαν, αλλά δεν είδαν τίποτα. Η σκοτεινή ύλη έχει αποδειχθεί πολύ πιο άπιαστη από ό,τι φανταζόμασταν κάποτε, αναγκάζοντάς μας να εγκαταλείψουμε πολλές από τις αγαπημένες μας θεωρίες και να εξετάσουμε ριζικά νέες ιδέες για το τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη και για το πώς μπορεί να έχει σχηματιστεί στο πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ακόμη και η προέλευση της «συνηθισμένης» ύλης κρύβει δικά της πεισματικά μυστικά. Αν και τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια και τα άτομα που αποτελούν μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν μέσω καλά κατανοητών διεργασιών, τέτοιες διεργασίες δημιουργούν επίσης ίση ποσότητα πιο εξωτικών σωματιδίων, γνωστών ως αντιύλη.

Κάθε φορά που σωματίδια ύλης και αντιύλης έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, και τα δύο εκμηδενίζονται. Γιατί, λοιπόν, το Σύμπαν μας περιέχει τόση πολλή ύλη και τόσο λίγη αντιύλη; Στην πραγματικότητα, γιατί υπάρχει θέμα;

Αν η ύλη και η αντιύλη είχαν δημιουργηθεί σε ίσες ποσότητες στη θερμότητα της Μεγάλης Έκρηξης –όπως θα μας οδηγούσε να αναμένουμε η τρέχουσα κατανόησή μας για τη φυσική– τότε σχεδόν όλη θα είχε καταστραφεί εδώ και πολύ καιρό, αφήνοντας το Σύμπαν μας ουσιαστικά χωρίς άτομα. Ωστόσο, υπάρχουν άτομα παντού γύρω μας.

Κάπως έτσι, περισσότερη ύλη παρά αντιύλη πρέπει να έχει δημιουργηθεί στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου της ιστορίας του Σύμπαντος μας. Δεν γνωρίζουμε πώς ή πότε συνέβη αυτό, ή ποιος μηχανισμός ήταν υπεύθυνος. Αλλά κατά κάποιο τρόπο, κάτι σχετικά με τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος έκανε δυνατό στους σπόρους των ατόμων – και όλης της χημείας, συμπεριλαμβανομένης της ζωής – να επιβιώσουν από τη θερμότητα του Big Bang.

Πηγαίνοντας ακόμη πιο πίσω στο χρόνο, φτάνουμε σε αυτό που είναι ίσως το πιο ενδιαφέρον από τα κοσμικά μας μυστήρια. Για να κατανοήσουν το Σύμπαν μας καθώς το παρατηρούμε, οι κοσμολόγοι αναγκάστηκαν να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι το διάστημα, κατά τις πρώτες του στιγμές, πρέπει να έχει υποστεί μια σύντομη περίοδο υπερταχείας διαστολής.

Ερωτήσεις και απαντήσεις αναγνωστών:Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;

Ρωτήθηκε από:Fred Thomas, Λονδίνο

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1990, οι αστρονόμοι που μετρούσαν τον ρυθμό με τον οποίο διαστέλλεται το Σύμπαν έκαναν μια ανακάλυψη σοκ:στην πραγματικότητα επιταχύνεται, σαν ολόκληρος ο κόσμος να προωθείται από κάποια αόρατη πηγή ενέργειας. Αυτή είναι η λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια και η προέλευσή της είναι ένα από τα βαθύτερα μυστήρια στην επιστήμη.

Έχουν προταθεί διάφορες εξηγήσεις, με αναμφισβήτητα την απλούστερη να είναι ότι πρόκειται για εκδήλωση των λεγόμενων διεργασιών κβαντικού κενού. Σύμφωνα με τους νόμους του υποατομικού κόσμου, υπάρχει πάντα κάποια αβεβαιότητα σχετικά με την ποσότητα ενέργειας που γεμίζει ακόμη και τον κενό χώρο.

Αυτή η ενέργεια διακύμανσης κενού έχει ανιχνευθεί στο εργαστήριο και οι θεωρητικοί έχουν δείξει ότι μπορεί να έχει τα «αντιβαρυτικά» αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, έχουν αγωνιστεί να δημιουργήσουν μια λεπτομερή θεωρία των κοσμικών επιπτώσεών του.

Αυτό οδήγησε σε προτάσεις ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί απλώς να είναι ένα πεδίο δύναμης που έχει απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη. Μερικές φορές ονομάζεται πεμπτουσία, μπορεί να δυναμώσει με την πάροδο του χρόνου, αλλά και πάλι οι λεπτομέρειες παραμένουν άπιαστες.

Υπήρξαν ακόμη ισχυρισμοί ότι η σκοτεινή ενέργεια διαρρέει από κρυμμένες πρόσθετες διαστάσεις του διαστήματος που απέτυχαν να επεκταθούν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ωστόσο, μέχρι να υπάρξει μια σημαντική ανακάλυψη στην υποκείμενη θεωρία – όλα αυτά είναι κάτι περισσότερο από εικασίες.

Διαβάστε περισσότερα:

• Τι είναι η σκοτεινή ύλη;
• Θα μπορούσε η «σκοτεινή ύλη» να είναι απλώς νεκρά αστέρια και πλανήτες που επιπλέουν στα βάθη του διαστήματος;
• Πόσο πυκνό είναι το Σύμπαν;

Αν και αυτή η εποχή του πληθωρισμού διήρκεσε μόνο λίγο περισσότερο από το ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του ενός δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου, άφησε το Σύμπαν μας εντελώς μεταμορφωμένο. Από πολλές απόψεις, μπορεί κανείς να σκεφτεί το τέλος του πληθωρισμού ως την πραγματική αρχή του Σύμπαντος στο οποίο ζούμε.

Παρά τον εντοπισμό πολλών επιτακτικών λόγων για να πιστεύουμε ότι ο πληθωρισμός έλαβε χώρα, οι κοσμολόγοι εξακολουθούν να γνωρίζουν και να κατανοούν πολύ λίγα για αυτήν την πρώιμη, βασική εποχή της κοσμικής μας ιστορίας.

Και τέλος, τη δεκαετία του 1990, οι κοσμολόγοι ξεκίνησαν ένα φιλόδοξο πρόγραμμα για να μετρήσουν την πιο πρόσφατη ιστορία διαστολής του Σύμπαντος μας, επιτρέποντάς μας να προσδιορίσουμε τη γεωμετρία και την τελική μοίρα του κόσμου μας. Για πρώτη φορά, θεωρήθηκε ότι θα μπορούσαμε να μάθουμε εάν το Σύμπαν μας θα συνεχίσει να διαστέλλεται για πάντα, ή αντ' αυτού τελικά θα αντιστραφεί και θα καταρρεύσει από μόνο του.

Αυτές οι μετρήσεις ήταν τελικά επιτυχείς, αλλά μας αποκάλυψαν κάτι που πολύ λίγοι επιστήμονες περίμεναν:το Σύμπαν μας όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό.

Για να εξηγήσουμε αυτό το γεγονός, αναγκαστήκαμε να συμπεράνουμε ότι το Σύμπαν μας περιέχει τεράστιες ποσότητες από αυτό που είναι γνωστό ως σκοτεινή ενέργεια, που γεμίζει όλο το διάστημα και το απομακρύνει. Αλλά οι καλύτερες προσπάθειές μας για να κατανοήσουμε αυτό το φαινόμενο έχουν καταλήξει σχεδόν εντελώς με άδεια χέρια. Απλώς δεν καταλαβαίνουμε τι είναι η σκοτεινή ενέργεια ή γιατί υπάρχει στο Σύμπαν μας.

Κάθε ένα από αυτά τα παζλ είναι βαθιά συνδεδεμένο με τις πρώτες στιγμές που ακολούθησαν το Big Bang. Από ό,τι κι αν αποτελείται η σκοτεινή ύλη, σχεδόν σίγουρα σχηματίστηκε κατά το πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου του Σύμπαντος μας.

Ομοίως, το απλό γεγονός ότι υπάρχουν άτομα στον κόσμο μας αποκαλύπτει ότι αυτές οι πρώτες στιγμές πρέπει να περιλάμβαναν γεγονότα και αλληλεπιδράσεις για τις οποίες δεν γνωρίζουμε ακόμα τίποτα. Ο κοσμικός πληθωρισμός έλαβε χώρα επίσης κατά τη διάρκεια αυτών των αρχαιότερων εποχών και θα μπορούσε να συνδεθεί με την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας, εγείροντας πολλά δικά του ερωτήματα. Με αυτούς και άλλους τρόπους, τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος μας είναι σταθερά συνδεδεμένα με τις πρώτες στιγμές του.

Πώς θα το μάθουμε

Αν και οι πρώτες στιγμές του Σύμπαντος μας αποδείχθηκαν προκλητικές για μελέτη, αυτό δεν μας εμπόδισε να προσπαθήσουμε. Επί του παρόντος, οι επιστήμονες βρίσκονται στη διαδικασία κατασκευής τηλεσκοπίων που θα μετρούν με νέους τρόπους και με μεγαλύτερη ακρίβεια το φως που είναι γνωστό ως κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Αυτές οι μετρήσεις, ελπίζεται, θα επιτρέψουν στους κοσμολόγους να μάθουν περισσότερα για τον πληθωρισμό, όπως πότε έλαβε χώρα και ποιες μορφές ενέργειας μπορεί να τον τροφοδοτούσαν. Στο πιο μακρινό μέλλον, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που βασίζονται στο διάστημα θα μας προσφέρουν έναν νέο τρόπο να βλέπουμε το πρώιμο Σύμπαν, αποκαλύπτοντας πιθανώς σήματα από τον πληθωρισμό, καθώς και από τυχόν μεταβάσεις φάσης που μπορεί να έχουν λάβει χώρα κατά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος μας.

Μια μέρα, ίσως αρχίσουμε να ανιχνεύουμε και να μελετάμε τα σωματίδια που είναι γνωστά ως νετρίνα που παρήχθησαν στη Μεγάλη Έκρηξη. Δύσκολο, ναι. Αλλά αδύνατο, όχι.

Είναι σαφές ότι τα μεγαλύτερα κοσμικά μας μυστήρια συνδέονται με τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος μας. Πώς έφτασε το Σύμπαν μας να περιέχει τόση πολλή ύλη και τόσο λίγη αντιύλη; Πώς σχηματίστηκε η σκοτεινή ύλη; Το Σύμπαν μας φαίνεται να έχει υποστεί μια σύντομη περίοδο υπερταχείας διαστολής, αλλά πώς και γιατί; Και συνδέεται αυτό με το γεγονός ότι το Σύμπαν μας διαστέλλεται και πάλι με επιταχυνόμενο ρυθμό;

Σήμερα, αυτά είναι ανοιχτά ερωτήματα. Αλλά το σημερινό μυστήριο είναι η ανακάλυψη του αύριο. Με βάση νέα δεδομένα, παρατηρήσεις και ιδέες, είμαστε έτοιμοι να ρίξουμε φως σε αυτά τα περίπλοκα ερωτήματα. Και με αυτό το φως, θα δούμε βαθύτερα και πιο καθαρά στο παρελθόν από ποτέ – πιο κοντά στην άκρη του χρόνου.

Στην άκρη του χρόνου:Εξερευνώντας τα μυστήρια των πρώτων δευτερολέπτων του σύμπαντος μας του Dan Hooper κυκλοφορεί τώρα (£22, Princeton University Press).