Πόσα περισσότερα μπορούμε να μάθουμε για το Σύμπαν;
Ως κοσμολόγος, μερικές από τις ερωτήσεις που ακούω πιο συχνά μετά από μια διάλεξη περιλαμβάνουν:Τι βρίσκεται πέρα από το σύμπαν μας; Σε τι διαστέλλεται το σύμπαν μας; Θα επεκτείνεται το σύμπαν μας για πάντα; Αυτά είναι φυσικά ερωτήματα που πρέπει να θέσουμε. Αλλά υπάρχει ένα ακόμη βαθύτερο ερώτημα εδώ. Βασικά αυτό που πραγματικά θέλουμε να μάθουμε είναι:Υπάρχει όριο στη γνώση μας; Υπάρχουν θεμελιώδη όρια στην επιστήμη;
Η απάντηση, φυσικά, είναι ότι δεν γνωρίζουμε εκ των προτέρων. Δεν θα ξέρουμε αν υπάρχει όριο στη γνώση, εκτός και αν προσπαθήσουμε να το ξεπεράσουμε. Προς το παρόν, δεν έχουμε κανένα σημάδι. Μπορεί να αντιμετωπίζουμε οδοφράγματα, αλλά αυτά δίνουν κάθε ένδειξη ότι είναι προσωρινά. Μερικοί άνθρωποι μου λένε:«Δεν θα μάθουμε ποτέ πώς ξεκίνησε το σύμπαν». «Δεν μπορούμε ποτέ να μάθουμε τι συνέβη πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη». Αυτές οι δηλώσεις καταδεικνύουν μια αξιοσημείωτη έπαρση, υποδεικνύοντας ότι μπορούμε να γνωρίζουμε εκ των προτέρων τον τόπο όλων εκείνων των πραγμάτων που δεν μπορούμε να γνωρίζουμε. Αυτό όχι μόνο δεν είναι τεκμηριωμένο, αλλά η μέχρι τώρα ιστορία της επιστήμης δεν έχει δείξει τέτοια όρια. Και στον δικό μου τομέα, την κοσμολογία, οι γνώσεις μας έχουν αυξηθεί με τρόπους που κανείς δεν είχε προβλέψει ούτε πριν από 50 χρόνια.
Αυτό δεν σημαίνει ότι η φύση δεν επιβάλλει όρια στο τι μπορούμε να παρατηρήσουμε και πώς μπορούμε να το παρατηρήσουμε. Για παράδειγμα, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg περιορίζει το τι μπορούμε να γνωρίζουμε για την κίνηση ενός σωματιδίου ανά πάσα στιγμή και η ταχύτητα του φωτός περιορίζει πόσο μακριά μπορούμε να δούμε ή να ταξιδέψουμε σε ένα δεδομένο διάστημα. Αλλά αυτά τα όρια μας λένε απλώς τι δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε, όχι τι δεν μπορούμε να μάθουμε τελικά. Η αρχή της αβεβαιότητας δεν εμπόδισε την εκμάθηση των κανόνων της κβαντικής μηχανικής, την κατανόηση της συμπεριφοράς των ατόμων ή την ανακάλυψη των λεγόμενων εικονικών σωματιδίων, τα οποία δεν μπορούμε ποτέ να δούμε άμεσα, παρόλα αυτά υπάρχουν.
Η παρατήρηση ότι το σύμπαν διαστέλλεται υπονοεί μια αρχή, γιατί αν κάνουμε παρέκταση προς τα πίσω, τότε σε κάποιο σημείο στο μακρινό παρελθόν, τα πάντα στο παρατηρήσιμο σύμπαν μας συντοποθετήθηκαν σε ένα μόνο σημείο. Εκείνη τη στιγμή, που τώρα ονομάζεται Big Bang, οι νόμοι της φυσικής όπως τους ξέρουμε καταρρέουν, επειδή η γενική σχετικότητα, που περιγράφει τη βαρύτητα, δεν μπορεί να ενσωματωθεί επιτυχώς με την κβαντική μηχανική, η οποία περιγράφει τη φυσική σε μικροσκοπικές κλίμακες μήκους. Αλλά οι περισσότεροι επιστήμονες δεν το βλέπουν ως θεμελιώδες όριο στη γνώση, επειδή αναμένουμε ότι η γενική σχετικότητα θα πρέπει να τροποποιηθεί ως μέρος μιας συνεπούς κβαντικής θεωρίας. Η θεωρία χορδών είναι μία από τις σημαντικότερες συνεχιζόμενες προσπάθειες για να γίνει αυτό.
Δεδομένης μιας τέτοιας θεωρίας, θα μπορούσαμε να απαντήσουμε στο ερώτημα τι, αν μη τι άλλο, συνέβη πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η απλούστερη δυνατή απάντηση είναι ίσως και η λιγότερο ικανοποιητική. Τόσο η ειδική όσο και η γενική σχετικότητα συνδέουν τον χώρο και τον χρόνο σε μια ενιαία οντότητα:τον χωροχρόνο. Αν ο χώρος δημιουργήθηκε στη Μεγάλη Έκρηξη, τότε ίσως να ήταν και ο χρόνος. Σε αυτή την περίπτωση, δεν υπήρχε «πριν». Απλώς δεν θα ήταν καλή ερώτηση. Αυτή δεν είναι η μόνη πιθανή απάντηση, ωστόσο, και θα χρειαστεί να περιμένουμε μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας και την πειραματική της επιβεβαίωση προτού να έχουμε εμπιστοσύνη στην απάντησή μας.
Στη συνέχεια, υπάρχει το ερώτημα εάν μπορούμε να γνωρίζουμε τι βρίσκεται πέρα από το δικό μας σύμπαν, χωρικά. Ποια είναι τα όρια του σύμπαντος μας; Και πάλι, μπορούμε να διακινδυνεύσουμε μια εικασία. Αν ο χωροχρόνος μας προέκυψε αυθόρμητα - το οποίο, όπως υποστήριξα εκτενώς στο τελευταίο μου βιβλίο, Ένα Σύμπαν από το Τίποτα , φαίνεται η πιο πιθανή πιθανότητα—τότε πιθανώς έχει μηδενική συνολική ενέργεια:Η ενέργεια που αντιπροσωπεύεται από την ύλη αντισταθμίζεται ακριβώς από την ενέργεια που αντιπροσωπεύεται από τα βαρυτικά πεδία. Με απλά λόγια, κάτι μπορεί να προκύψει από το τίποτα αν το κάτι ισοδυναμεί με τίποτα. Αυτή τη στιγμή, το μόνο σύμπαν που μπορούμε να επαληθεύσουμε ότι έχει μηδενική συνολική ενέργεια είναι ένα κλειστό σύμπαν. Ένα τέτοιο σύμπαν είναι πεπερασμένο αλλά απεριόριστο. Ακριβώς όπως μπορείτε να κινείστε γύρω από την επιφάνεια μιας σφαίρας για πάντα χωρίς να συναντήσετε κανένα όριο, το ίδιο μπορεί να ισχύει και για το σύμπαν μας. Αν κοιτάξουμε αρκετά μακριά προς μία κατεύθυνση, θα βλέπαμε το πίσω μέρος του κεφαλιού μας.
Στην πράξη, δεν μπορούμε να το κάνουμε αυτό, πιθανώς επειδή το ορατό μας σύμπαν είναι μόνο μέρος ενός πολύ μεγαλύτερου όγκου. Ο λόγος έχει να κάνει με κάτι που λέγεται πληθωρισμός. Τα περισσότερα σύμπαντα που δημιουργούνται αυθόρμητα με μικροσκοπικό μέγεθος θα καταρρεύσουν εκ νέου σε ένα μικροσκοπικό χρόνο, αντί να αντέξουν για δισεκατομμύρια χρόνια. Όμως, σε μερικούς, ο κενός χώρος θα είναι προικισμένος με ενέργεια, και αυτό θα κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται εκθετικά γρήγορα, τουλάχιστον για μια σύντομη περίοδο. Πιστεύουμε ότι μια τέτοια περίοδος πληθωρισμού συνέβη κατά τις πρώτες στιγμές της διαστολής του Big Bang και εμπόδισε το σύμπαν να ξανακαταρρεύσει αμέσως. Κατά τη διαδικασία, το σύμπαν διογκώθηκε σε μέγεθος και έγινε τόσο μεγάλο σε έκταση που, για όλες τις προθέσεις και σκοπούς, θα φαινόταν τώρα επίπεδο και άπειρο - σαν ένα χωράφι με καλαμπόκι στο Κάνσας που φαίνεται άπειρο παρά το γεγονός ότι βρίσκεται στην τεράστια σφαίρα που ονομάζουμε Γη . Αυτός είναι ο λόγος που δεν βλέπουμε το πίσω μέρος του κεφαλιού μας όταν κοιτάμε ψηλά στο διάστημα, παρόλο που το σύμπαν μας μπορεί να είναι κλειστό στις μεγαλύτερες κλίμακες του. Κατ' αρχήν, ωστόσο, θα μπορούσαμε να δούμε το όλο θέμα αν περιμέναμε αρκετό καιρό, εφόσον ο πληθωρισμός δεν είχε ξαναρχίσει στο ορατό μας σύμπαν και δεν συμβαίνει αλλού σε περιοχές του διαστήματος που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε.
Όσον αφορά την πιθανότητα ότι περιοχές που δεν μπορούμε ακόμη να παρατηρήσουμε, ή μπορεί να μην παρατηρήσουμε ποτέ, μπορεί να διογκώνονται, στην πραγματικότητα οι τρέχουσες θεωρίες μας υποδηλώνουν ότι αυτή είναι η πιο πιθανή πιθανότητα. Αν θεωρήσουμε ότι η φράση «το σύμπαν μας» αναφέρεται σε εκείνη την περιοχή του διαστήματος με την οποία κάποτε θα μπορούσαμε να επικοινωνήσουμε ή με την οποία μια μέρα μπορεί να επικοινωνήσουμε, τότε ο πληθωρισμός γενικά δημιουργεί άλλα σύμπαντα πέρα από το δικό μας. Ο πληθωρισμός μπορεί να ήταν σύντομος εντός του όγκου του διαστήματος μας, αλλά το υπόλοιπο διάστημα διαστέλλεται εκθετικά για πάντα, με απομονωμένες περιοχές όπως η δική μας περιστασιακά να αποσυνδέονται από την διαστολή, ακριβώς όπως μπορούν να σχηματιστούν απομονωμένα κομμάτια πάγου στην επιφάνεια του ταχέως κινούμενου νερού όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από το μηδέν. Κάθε τέτοιο σύμπαν είχε μια αρχή, συνδεδεμένη με τη στιγμή που ο πληθωρισμός τελείωσε εντός του χωρικού του όγκου. Σε αυτήν την περίπτωση, η αρχή του σύμπαντός μας μπορεί να μην ήταν η αρχή του ίδιου του χρόνου - ένας επιπλέον λόγος για να αμφιβάλλουμε εάν η Μεγάλη Έκρηξη αντιπροσωπεύει ένα απόλυτο όριο στη γνώση μας.
Ανάλογα με τις διαδικασίες που προκαλούν την αποσύνδεση κάθε σύμπαντος από το χώρο του φόντου, οι νόμοι της φυσικής μπορεί να είναι διαφορετικοί σε καθένα. Έχουμε φτάσει να αποκαλούμε αυτή τη συλλογή πιθανών συμπάντων «πολύσύμπαν». Η ιδέα ενός πολυσύμπαντος έχει κερδίσει έλξη στην επιστημονική κοινότητα όχι μόνο επειδή υποκινείται από φαινόμενα όπως ο πληθωρισμός, αλλά και επειδή η πιθανότητα πολλών διαφορετικών συμπάντων, το καθένα με τους δικούς του νόμους της φυσικής, μπορεί να εξηγήσει διάφορες φαινομενικά ανεξήγητες θεμελιώδεις παραμέτρους σύμπαν. Αυτές οι παράμετροι είναι απλώς οι τιμές που προέκυψαν τυχαία όταν γεννήθηκε το σύμπαν μας.
Εάν υπάρχουν άλλα σύμπαντα εκεί έξω, χωρίζονται από το δικό μας με τεράστιες αποστάσεις και υποχωρούν με υπερελαφριές σχετικές ταχύτητες, οπότε δεν μπορούμε ποτέ να τα εντοπίσουμε άμεσα. Είναι τότε το πολυσύμπαν απλώς μεταφυσική; Η επαλήθευση της πιθανής ύπαρξης ενός πολυσύμπαντος αντιπροσωπεύει επομένως ένα θεμελιώδες όριο στη γνώση μας; Η απάντηση είναι:όχι απαραίτητα. Αν και μπορεί να μην δούμε ποτέ άλλο σύμπαν απευθείας, μπορούμε ακόμα να δοκιμάσουμε τη θεωρία που μπορεί να το παρήγαγε εμπειρικά — για παράδειγμα, παρατηρώντας βαρυτικά κύματα που θα παρήγαγε ο πληθωρισμός. Αυτό θα μας επέτρεπε καταρχήν να δοκιμάσουμε τη λεπτομερή φύση της πληθωριστικής διαδικασίας που είχε ως αποτέλεσμα το σύμπαν μας. Αυτά τα κύματα είναι παρόμοια με τα βαρυτικά κύματα που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα από το LIGO, αλλά διαφέρουν ως προς την προέλευσή τους. Δεν προέρχονται από κατακλυσμικά γεγονότα όπως οι συγκρούσεις τεράστιων μαύρων τρυπών σε μακρινούς γαλαξίες, αλλά από τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης, κατά την υποτιθέμενη περίοδο του πληθωρισμού. Εάν μπορέσουμε να τα εντοπίσουμε άμεσα - όπως θα μπορούσαμε να κάνουμε σε μια ποικιλία πειραμάτων που τώρα αναζητούν την υπογραφή που θα άφηναν στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων που έμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη - μπορούμε να διερευνήσουμε τη φυσική του πληθωρισμού και Στη συνέχεια, καθορίστε εάν ο αιώνιος πληθωρισμός είναι συνέπεια αυτής της φυσικής. Έτσι, έμμεσα, θα μπορούσαμε να ελέγξουμε αν πρέπει να υπάρχουν άλλα σύμπαντα, ακόμα κι αν δεν μπορούμε να τα εντοπίσουμε άμεσα.
Εν ολίγοις, ανακαλύψαμε ότι ακόμη και τα πολύ βαθύτερα μεταφυσικά ερωτήματα - τα οποία προηγουμένως θα μπορούσαμε να φανταστούμε ότι δεν θα μπορούσαν ποτέ να απαντηθούν εμπειρικά, συμπεριλαμβανομένης της πιθανής ύπαρξης άλλων συμπάντων - μπορεί στην πραγματικότητα να είναι προσβάσιμα, αν είμαστε αρκετά έξυπνοι. Δεν υπάρχουν ακόμη γνωστά όρια για το τι μπορούμε να μάθουμε από την εφαρμογή της λογικής σε συνδυασμό με την πειραματική παρατήρηση.
Ένα σύμπαν χωρίς όρια είναι ελκυστικό και μας παρακινεί να συνεχίσουμε την αναζήτηση. Μπορούμε όμως να είμαστε σίγουροι ότι δεν θα υπάρξουν ποτέ όρια στη γνώση μας; Όχι ακριβώς.
Ο πληθωρισμός θέτει ένα θεμελιώδες όριο στη γνώση - συγκεκριμένα, στη γνώση του παρελθόντος. Ουσιαστικά επαναφέρει το σύμπαν, καταστρέφοντας δυνητικά όλες τις πληροφορίες σχετικά με τις δυναμικές διαδικασίες που προηγήθηκαν. Η ταχεία επέκταση του χώρου κατά τη διάρκεια του φουσκώματος αραιώνει σοβαρά τα περιεχόμενα οποιασδήποτε περιοχής. Έτσι, μπορεί να έχει εξαφανίσει ίχνη, για παράδειγμα, μαγνητικών μονοπόλων, ενός τύπου σωματιδίου που η θεωρία υποδηλώνει ότι το πολύ πρώιμο σύμπαν παράγεται σε αφθονία. Αυτή ήταν μια από τις αρχικές αρετές του πληθωρισμού:Συμβίβαζε το γεγονός ότι δεν έχουμε δει ποτέ τέτοια σωματίδια με τις προβλέψεις για την παραγωγή τους. Αλλά για να απαλλαγούμε από μια ασυμφωνία, ο πληθωρισμός διέγραψε πτυχές του παρελθόντος μας.
Ακόμη χειρότερα, το σβήσιμο μπορεί να μην έχει τελειώσει. Προφανώς ζούμε σε μια άλλη περίοδο πληθωρισμού αυτή τη στιγμή. Οι μετρήσεις της ύφεσης μακρινών γαλαξιών δείχνουν ότι η διαστολή του σύμπαντός μας επιταχύνεται επί του παρόντος, δεν επιβραδύνεται, όπως θα ήταν αν η κυρίαρχη βαρυτική ενέργεια βρισκόταν στην ύλη ή την ακτινοβολία και όχι στον κενό χώρο. Προς το παρόν δεν έχουμε κατανόηση της προέλευσης αυτής της ενέργειας. Κάθε μία από τις πιθανές εξηγήσεις υποδηλώνει θεμελιώδη όρια για την πρόοδο της γνώσης και ακόμη και για την ίδια μας την ύπαρξη.
Η ενέργεια του κενού χώρου θα μπορούσε ξαφνικά να εξαφανιστεί εάν το σύμπαν υποβληθεί σε κάποιο είδος μετάβασης φάσης, μια κοσμική εκδοχή του ατμού που συμπυκνώνεται σε υγρό νερό. Εάν αυτό συνέβαινε, η φύση των θεμελιωδών δυνάμεων θα μπορούσε να αλλάξει και όλες οι δομές που βλέπουμε στο σύμπαν, από τα άτομα και πάνω, θα μπορούσαν να γίνουν ασταθείς ή να εξαφανιστούν. Θα εξαφανιζόμασταν μαζί με όλα τα άλλα.
Αλλά ακόμα κι αν η επέκταση συνεχιστεί, το μέλλον εξακολουθεί να είναι μάλλον θλιβερό. Μέσα σε περίπου 2 τρισεκατομμύρια χρόνια - που μπορεί να φαίνεται πολύς χρόνος στην ανθρώπινη κλίμακα, αλλά όχι τόσο μεγάλος στην κοσμική κλίμακα - το υπόλοιπο σύμπαν θα εξαφανιστεί από την οπτική μας. Κάθε παρατηρητής που εξελίσσεται σε πλανήτες γύρω από αστέρια σε αυτό το μακρινό μέλλον θα φαντάζεται ότι ζει σε έναν μόνο γαλαξία που περιβάλλεται από έναν αιώνιο κενό χώρο, χωρίς σημάδια επιτάχυνσης ή ακόμη και στοιχεία προηγούμενης Μεγάλης Έκρηξης. Ακριβώς όπως έχουμε χάσει τα μονοπόλια από τα μάτια μας, θα είναι τυφλοί στην ιστορία που βλέπουμε εύκολα. (Σίγουρα, μπορεί να έχουν πρόσβαση σε παρατηρήσιμο φαινόμενο στο οποίο δεν έχουμε ακόμη πρόσβαση, επομένως δεν πρέπει να νιώθουμε πολύ ανώτεροι.)
Είτε έτσι είτε αλλιώς, θα πρέπει να απολαύσουμε τη σύντομη στιγμή μας στον ήλιο και να μάθουμε τι μπορούμε, όσο μπορούμε. Δουλέψτε σκληρότερα, μεταπτυχιακοί φοιτητές!
Ο Lawrence M. Krauss είναι θεωρητικός φυσικός και κοσμολόγος, διευθυντής του Origins Project και ιδρυτικός καθηγητής στη Σχολή Εξερεύνησης της Γης και του Διαστήματος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Είναι επίσης συγγραφέας βιβλίων με μπεστ σέλερ συμπεριλαμβανομένων Ένα Σύμπαν από το Τίποτα και The Physics of Star Trek.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο τεύχος μας "Learning" τον Σεπτέμβριο του 2016.
