Τι θα γινόταν αν η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή;

Η μεγαλύτερη ανακάλυψη στην ιστορία της επιστήμης είναι ότι υπήρξε μια μέρα χωρίς χθες. Το Σύμπαν δεν υπήρξε για πάντα. Γεννήθηκε. Όλη η ύλη, η ενέργεια, ο χώρος και ακόμη και ο χρόνος, ξεσπάθηκαν σε μια τιτάνια βολίδα που ονομάζουμε Μεγάλη Έκρηξη, πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια. Η πύρινη σφαίρα επεκτάθηκε και, έξω από τα συντρίμμια ψύξης, πήξαν οι γαλαξίες - μεγάλα νησιά των αστεριών. δύο τρισεκατομμύρια από αυτά, από τα οποία ο Γαλαξίας μας είναι μόνο ένα.

Όπως και να το δεις, η ιδέα του Σύμπαντος να εμφανίζεται σαν ένα κουνέλι από το καπέλο είναι απαίσια. Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες έπρεπε να σύρονται κλωτσώντας και ουρλιάζοντας. Το τελευταίο πράγμα που ήθελαν να απαντήσουν ήταν η αμήχανη ερώτηση:τι συνέβη πριν το Big Bang;

Τις τελευταίες δεκαετίες, επικράτησε η ιδέα ότι το Σύμπαν ξεκίνησε με μια εξαιρετικά σύντομη έκρηξη υπερταχείας διαστολής. Ήταν τόσο βίαιος αυτός ο «πληθωρισμός» που παρομοιάστηκε με την έκρηξη μιας βόμβας H σε σύγκριση με το απλό ραβδί δυναμίτη της πιο ήρεμης επέκτασης του Big Bang που κυριάρχησε όταν ο πληθωρισμός τελείωσε.

Αλλά τώρα ένας εξέχων Αμερικανός αστροφυσικός αμφισβητεί την πληθωριστική ορθοδοξία και υποστηρίζει μια νέα ματιά σε εναλλακτικά μοντέλα στα οποία η Μεγάλη Έκρηξη ήταν στην πραγματικότητα μια «μεγάλη αναπήδηση» από μια προηγούμενη, συρρικνούμενη, φάση του Σύμπαντος. «Το σημαντικότερο είναι ότι οι συνάδελφοί μου και εγώ προτείνουμε ένα τεστ παρατήρησης ικανό να διακρίνει τις πιθανότητες», λέει ο καθηγητής Abraham Loeb του Κέντρου Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν.

Ανεξήγητα μεγάλα κενά

Μια κοσμική παρατήρηση που κάθε σενάριο πρέπει να εξηγήσει είναι γιατί το Σύμπαν είναι τόσο εντυπωσιακά ομοιόμορφο:συγκεκριμένα, γιατί η θερμοκρασία της θερμικής λάμψης του Big Bang είναι σχεδόν ίδια παντού και γιατί ο αριθμός των γαλαξιών σε έναν δεδομένο όγκο είναι επίσης ο ίδιος παντού.

Αυτό είναι ένα παζλ γιατί αν η διαστολή του Σύμπαντος φανταστεί ότι τρέχει προς τα πίσω στο Big Bang, όπως μια ταινία που παίζει αντίστροφα, γίνεται σαφές ότι περιοχές του Σύμπαντος που σήμερα είναι ευρέως διαχωρισμένες δεν ήταν σε επαφή μεταξύ τους στην αρχή. . Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει αρκετός χρόνος από τη γέννηση του Σύμπαντος για να περάσει ανάμεσά τους οποιαδήποτε επιρροή που ταξιδεύει στο κοσμικό όριο ταχύτητας (την ταχύτητα του φωτός). Πώς, λοιπόν, θα μπορούσε να έχει περάσει η θερμότητα μεταξύ τέτοιων περιοχών για να εξισωθούν οι θερμοκρασίες τους;

Η τυπική εξήγηση είναι ότι το Σύμπαν ήταν πολύ μικρότερο νωρίς από ό,τι φανταζόμαστε αν προβάλλουμε αυτήν την ταινία αντίστροφα. Αν ήταν μικρότερο, τότε κομμάτια του Σύμπαντος που σήμερα είναι ευρέως διαχωρισμένα θα ήταν πιο κοντά μεταξύ τους. Αλλά, εάν το Σύμπαν ξεκίνησε μικρότερο νωρίτερα, θα πρέπει να έχει διασταλεί γρηγορότερα για να φτάσει στο σημερινό του μέγεθος σε 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια.

Μια τέτοια περίοδος υπερταχείας διαστολής, που σημειώθηκε στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου της ύπαρξης του Σύμπαντος, προτάθηκε από τον Ρώσο φυσικό Alexei Starobinsky το 1979 και τον Αμερικανό φυσικό καθηγητή Alan Guth το 1980. Αυτός ο πληθωρισμός οδηγήθηκε από το κενό. Όχι το κενό που βλέπουμε γύρω μας σήμερα, αλλά μια έκδοση υπερυψηλής ενέργειας. Αυτό συνέβη επειδή το «πληθωριστικό κενό» περιείχε ένα λεγόμενο κλιμακωτό πεδίο, το οποίο, όπως το πεδίο Higgs, που ανακαλύφθηκε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων κοντά στη Γενεύη το 2012, είχε παντού μη μηδενική ενέργεια.

Το υπερυψηλής ενέργειας πληθωριστικό κενό είχε μερικές αξιοσημείωτες ιδιότητες. Πρώτον, είχε απωστική βαρύτητα, η οποία του έκανε να διαστέλλεται – και όσο περισσότερο υπήρχε, τόσο μεγαλύτερη ήταν η απώθησή του και τόσο πιο γρήγορα επεκτεινόταν. Δεύτερον, όταν το πληθωριστικό κενό διπλασίασε τον όγκο του, διπλασίασε την ενέργειά του. όταν τριπλασίαζε τον όγκο του, τριπλασίαζε την ενέργειά του και ούτω καθεξής. Φανταστείτε να είχατε μια στοίβα από χαρτονομίσματα ανάμεσα στα χέρια σας και να ξεκολλάτε τα χέρια σας και το αποτέλεσμα ήταν να δημιουργήσετε περισσότερα χαρτονομίσματα. Οι φυσικοί, δεν αποτελεί έκπληξη, αναφέρουν τον πληθωρισμό ως το «απόλυτο δωρεάν γεύμα».

Αλλά το πληθωριστικό κενό, το οποίο περιείχε ενέργεια αλλά όχι ύλη, ήταν ένα «κβαντικό» πράγμα (η κβαντική θεωρία είναι η καλύτερη περιγραφή του μικροσκοπικού κόσμου των ατόμων και των συστατικών τους). Και τα κβαντικά πράγματα είναι βασικά απρόβλεπτα. Έτσι, σε τυχαίες τοποθεσίες σε όλο το πληθωριστικό κενό, τα κομμάτια «διασπάστηκαν» σε κανονικό, καθημερινό κενό.

Φανταστείτε το σαν έναν απέραντο ωκεανό στον οποίο σχηματίζονται φυσαλίδες. Μέσα σε κάθε φούσκα, η τεράστια ενέργεια του πληθωριστικού κενού έπρεπε να πάει κάπου. Προχώρησε στη δημιουργία ύλης και στη θέρμανση της σε μια άγρια ​​υψηλή θερμοκρασία - εν ολίγοις, στη δημιουργία μιας μεγάλης έκρηξης. Ζούμε μέσα σε μία από αυτές τις φυσαλίδες της μεγάλης έκρηξης στο πληθωριστικό κενό.

Ο πληθωρισμός μειώνεται με διαφορετικούς ρυθμούς σε διαφορετικές τοποθεσίες, οδηγώντας σε «φυσαλίδες» στο πληθωριστικό κενό, με άλλα λόγια, δημιουργώντας τη δυνατότητα για ένα πολυσύμπαν © Science Photo LibraryΣε αυτήν την εικόνα, το Big Bang δεν είναι ένα μεμονωμένο γεγονός. Τα μεγάλα κτυπήματα ξεσπούν σαν πυροτεχνήματα στο πληθωριστικό κενό. Και όλα αυτά θα μπορούσαν να είχαν ξεκινήσει από ένα μικρό κομμάτι πληθωριστικού κενού –με ενέργεια μάζας όσο ένα κιλό– που αναδύεται από το τίποτα, κάτι που, απίστευτα, επιτρέπεται από τους νόμους της κβαντικής θεωρίας. Ο πληθωρισμός, μόλις ξεκινήσει, συνεχίζεται για πάντα, καθώς το νέο κενό δημιουργείται πιο γρήγορα από ό,τι εξαφανίζεται.

Όμως, σύμφωνα με τον Loeb, το πληθωριστικό σενάριο έχει προβλήματα. «Μετά από 40 χρόνια, δεν έχουμε αποδείξεις για την ύπαρξη του πεδίου «inflaton» που οδηγεί τον πληθωρισμό, όπως κάνουμε για το Higgs», λέει. Επίσης, υπάρχει άπειροι τρόποι με τους οποίους το πεδίο φουσκώματος μπορεί να αποσυντεθεί, βγαίνοντας από την πληθωριστική επέκταση και ξεκινώντας την επέκταση του Big Bang.

Οι φυσικοί φαντάζονται ένα μαθηματικό «δυναμικό», μάλλον σαν μια πίστα σκι, στην οποία το πεδίο φουσκώματος γλιστράει, μειώνοντας την ενέργειά του στο μηδέν. Αλλά η πίστα του σκι μπορεί να έχει διαφορετικό σχήμα σε διαφορετικές τοποθεσίες. «Αυτό σημαίνει ότι ο πληθωρισμός θα συνεχιστεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε ορισμένα μέρη από άλλα, αλλάζοντας σε μεγάλο βαθμό τη φύση του προκύπτοντος χωροχρόνου», λέει ο Loeb. "Ο πληθωρισμός επομένως προβλέπει την ύπαρξη ενός άπειρου τομέων, το καθένα με διαφορετική φυσική - ένα "πολύσύμπαν"."

Το πρόβλημα είναι ότι το Σύμπαν μας δεν έχει τις ιδιότητες ενός τυπικού μέλους του πολυσύμπαντος. "Το σύμπαν μας είναι εξαιρετικά αραιό σε ενέργεια κενού σε σχέση με μια τυπική περιοχή στο πολυσύμπαν", λέει ο Loeb.

Ως εκ τούτου, είμαστε αναγκασμένοι να εξηγήσουμε τις ιδιαίτερες ιδιότητές της, όπως η σκοτεινή ενέργεια, με την ταραχώδη λογική της «ανθρωπικής αρχής»:ότι ζούμε στον τομέα στον οποίο ζούμε γιατί, αν δεν το κάναμε, η φυσική δεν θα είχε έδωσε αφορμή για αστέρια και γαλαξίες και φυσικούς για να τα περιγράψουν. «Αυτό δεν δίνει στον πληθωρισμό επεξηγηματική δύναμη», λέει ο Loeb. «Είναι ένα απείρως ευέλικτο πλαίσιο ικανό να χωρέσει οποιαδήποτε δεδομένα. Κατά τη γνώμη μου αυτό σημαίνει ότι δεν είναι επιστήμη.»

Αυτός ο ισχυρισμός, που έγινε από τους Loeb, Anna Ijjas και τον καθηγητή Paul Steinhardt σε ένα άρθρο του 2017 στο Scientific American, προκάλεσε θύελλα διαμάχης. Σύμφωνα με τον «πατέρα του πληθωρισμού» καθηγητή Alan Guth του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης:«Το σχόλιο ότι η πληθωριστική κοσμολογία, όπως την καταλαβαίνουμε σήμερα, δεν μπορεί να αξιολογηθεί χρησιμοποιώντας την επιστημονική μέθοδο φαινόταν τόσο μακριά από την πραγματικότητα που 32 ηγέτες στον τομέα της κοσμολογίας, συμπεριλαμβανομένων πέντε νομπελίστων, και έγραψα μια επιστολή στον εκδότη διαφωνώντας κατηγορηματικά με τις δηλώσεις που γίνονται σε αυτό το άρθρο σχετικά με τη δυνατότητα δοκιμής του πληθωρισμού.»

«Αυτό είναι αρκετά καταθλιπτικό», λέει ο Loeb. «Αν μια επιστημονική ιδέα είναι λανθασμένη, χρειάζεται μόνο ένα άτομο να επισημάνει γιατί είναι λάθος. Η επιστημονική αλήθεια δεν αποφασίζεται από την εξουσία αλλά από την ίδια τη φύση.»

Ο Loeb πιστεύει ότι ο πληθωρισμός, όπως και η «θεωρία χορδών» (υποψήφιος για μια θεωρία των πάντων) έχει εξελιχθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα απουσία σοβαρών πειραματικών δοκιμών των θεμελιωδών ιδεών του. "Έχει δημιουργήσει λοιπόν μια κουλτούρα στην οποία οι υποστηρικτές πιστεύουν ότι η θεωρία δεν χρειάζεται να περάσει τα ίδια αυστηρά τεστ με άλλες θεωρίες για να αποδείξει την ορθότητά της", λέει.

Ο Loeb δεν πιστεύει απαραίτητα ότι ο πληθωρισμός είναι λάθος. Αλλά πιστεύει ότι οι εναλλακτικές πρέπει να ληφθούν πιο σοβαρά υπόψη. «Δεν έχω καμία διαφωνία με αυτό», λέει ο Guth. «Αλλά θα πρέπει να αποφύγουμε να κάνουμε ψευδείς ισχυρισμούς ότι ο πληθωρισμός δεν μπορεί να αξιολογηθεί με την επιστημονική μέθοδο. Και θα διαφωνήσω επίσης με τους ισχυρισμούς ότι οποιαδήποτε από τις τρέχουσες εναλλακτικές λύσεις αντί του πληθωρισμού έχει συγκρίσιμο ανάστημα.»

Από έκρηξη σε αναπήδηση

Μια εναλλακτική είναι ότι το Σύμπαν δεν ξεκίνησε με μια έκρηξη πληθωρισμού που προκλήθηκε από το κενό, αλλά αντ' αυτού υπέστη μια προηγούμενη φάση συστολής. Επομένως, το Big Bang δεν θα ήταν Big Bang αλλά Big Bounce. Υπάρχουν πολλές πιθανότητες, μία από τις οποίες είναι το «κυκλικό Σύμπαν» που έθεσαν οι φυσικοί Steinhardt και Neil Turok, όπου το Σύμπαν υφίσταται επαναλαμβανόμενες αναπηδήσεις, πιθανώς άπειρο αριθμό από αυτές, και επομένως δεν έχει αρχή.

Είναι κρίσιμο, ωστόσο, ότι μια μακρά φάση πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη παρέχει άφθονο χρόνο για να εξισωθούν οι ιδιότητες του Σύμπαντος, ακριβώς όπως ένας μεγάλος χρόνος επιτρέπει σε ένα λουτρό κρύου νερού να φτάσει σε ομοιόμορφη θερμοκρασία μετά την προσθήκη ζεστού νερού.

Το βασικό είναι να βρεθεί μια παρατήρηση ικανή να διακρίνει ανάμεσα σε πληθωριστικά και σενάρια αναπήδησης. Και ο Loeb και οι συνάδελφοί του στο Χάρβαρντ, ο Δρ Xingang Chen και ο Zhong-Zhi Xianyu, λένε ότι βρήκαν ένα. Περιλαμβάνει τη θερμική λάμψη της Μεγάλης Έκρηξης - την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων περιγράφει τα θεμελιώδη «πεδία» που αποτελούν το Σύμπαν μας. Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένας κυματισμός στο «ηλεκτρονικό πεδίο», ένα φωτόνιο ένας κυματισμός στο «ηλεκτρομαγνητικό πεδίο» και ούτω καθεξής. Το Καθιερωμένο Μοντέλο, ωστόσο, είναι μόνο μια προσέγγιση μιας άγνωστης ακόμη βαθύτερης θεωρίας.

Αλλά ο Loeb λέει ότι θα περιέχει νέα πεδία με νέα τεράστια υποατομικά σωματίδια. Αυτά θα ταλαντωθούν στο πρώιμο Σύμπαν, αποτυπώνοντας μια ενδεικτική κανονικότητα στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. «Αυτή η «περιοδικότητα» είναι δυνητικά παρατηρήσιμη», λέει ο Loeb. "Και το κρίσιμο είναι ότι είναι διαφορετικό για ένα Σύμπαν που υπέστη πληθωριστική διαστολή και για ένα που υπέστη συρρίκνωση."

Οι μεγαλύτερες διακυμάνσεις θερμοκρασίας τίθενται σε εφαρμογή πρώτα σε ένα σενάριο επέκτασης αλλά τελευταία σε ένα σενάριο συρρίκνωσης. Και επειδή το μέγεθος ή το πλάτος των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας μεγαλώνει με το χρόνο, είναι δυνατό να πούμε ποιο σενάριο ήταν το πρώτο.

«Χαίρομαι που βλέπω ότι δύο χρόνια μετά τη διακήρυξη ότι ο πληθωρισμός δεν μπορεί να αξιολογηθεί χρησιμοποιώντας την επιστημονική μέθοδο, ο Loeb εργάζεται για την ανάπτυξη ενός τεστ του πληθωρισμού», λέει ο Guth. "Η πρόταση των Chen, Loeb και Xianyu, κατά τη γνώμη μου, περιέχει μερικές πολύ ενδιαφέρουσες φυσικές."

Το νέο τεστ δεν είναι το μόνο δυνατό τεστ για τον πληθωρισμό. Ένα πείραμα στο Νότιο Πόλο που ονομάζεται BICEP2 αναζητά επί του παρόντος το αποτύπωμα στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου των κυματισμών στο χωροχρόνο (βαρυτικά κύματα), που δημιουργήθηκαν στη βίαιη αναταραχή του πρώιμου Σύμπαντος.

«Αν βρεθεί το αποτύπωμα, θα αποδειχθεί πληθωρισμός», λέει ο Loeb. «Αλλά αν δεν βρεθεί το αποτύπωμα, θα είναι δυνατό να βρεθεί ένα πληθωριστικό μοντέλο όπου το αποτύπωμα δεν είναι ανιχνεύσιμο. Αυτό εννοώ σχετικά με το ότι η θεωρία είναι απείρως ευέλικτη και επιστημονικά μη παραποιήσιμη."

Ο Loeb παραδέχεται ότι η λεπτομερής φυσική μιας κοσμικής αναπήδησης είναι τόσο άγνωστη όσο η λεπτομερής φυσική του πληθωρισμού. Αλλά λέει ότι αυτό είναι αναπόφευκτο λόγω της κατάστασης των γνώσεών μας για τη θεμελιώδη επιστήμη. Τα δύο πανύψηλα επιτεύγματα της φυσικής του 20ου αιώνα είναι η κβαντική θεωρία (η οποία περιγράφει τον κόσμο των πολύ μικρών) και η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν (που περιγράφει την πολύ μεγάλη περιοχή του Σύμπαντος).

Στη Μεγάλη Έκρηξη, ένα πολύ μεγάλο Σύμπαν ήταν πολύ μικρό και επομένως είναι απαραίτητο να ενοποιηθεί η κβαντική θεωρία και η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν προκειμένου να προβλεφθεί τι συνέβη. Μια τέτοια ενοποίηση έχει μέχρι στιγμής αποδειχθεί άπιαστη. «Η σκληρή αλήθεια», λέει ο Loeb, «είναι ότι, χωρίς μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, δεν μπορούμε ποτέ να είμαστε πραγματικά σίγουροι πώς ξεκίνησε το Σύμπαν μας».

• Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στο BBC Science Focus τον Απρίλιο του 2019 – εγγραφείτε εδώ

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard