Είναι το σύμπαν μας σαν λάδι και ξύδι ή ομογενοποιημένο γάλα;
Τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν ήταν ένα ταραχώδες χάος, ένα στιφάδο υψηλής θερμοκρασίας κβαντικών διακυμάνσεων. Όπως και με τις αναταράξεις στο νερό, οι διακυμάνσεις ενεργούσαν σε κάθε επίπεδο:Αν μπορούσατε να φανταστείτε να παρατηρείτε το αρχέγονο χάος, σε οποιοδήποτε επίπεδο μεγέθυνσης χρησιμοποιούσατε, από το πιο μικρό έως το μεγαλύτερο, ο κόσμος ήταν εξίσου ακατάστατος.
Καθώς το Σύμπαν επεκτεινόταν, οι αναταράξεις εξομαλύνθηκαν σε ομοιομορφία. Η ομοιογένεια σε όλα τα επίπεδα μεταφράζεται σε σχεδόν ομοιόμορφη πυκνότητα στην κλίμακα ολόκληρου του Κόσμου. Ωστόσο, σε μικρότερη κλίμακα, σε μέρη όπου η ποσότητα του αερίου υδρογόνου ήταν ελαφρώς μεγαλύτερη, οι συστάδες συγχωνεύτηκαν σε γαλαξίες.
Αυτό είναι σύμφωνα με την τυπική εκδοχή της κοσμολογίας, αλλά δεν έχει αποδειχθεί πέρα από κάθε αμφιβολία. Μια εναλλακτική άποψη δηλώνει ότι οι αναταράξεις δεν εξομαλύνθηκαν καθόλου, αφήνοντάς μας σε ένα ογκώδες Σύμπαν. Αυτός ο ανομοιογενής κόσμος έχει περιοχές πολύ υψηλής και πολύ χαμηλής πυκνότητας, πολλών μεγεθών και δεν φαίνεται ομαλή από καμία οπτική γωνία.
Σκεφτείτε την τυπική έκδοση ως το σύμπαν ομογενοποιημένου γάλακτος, ενώ την ανομοιογενή εναλλακτική ως ένα ντρέσινγκ με λάδι και ξύδι. Η διαφορά είναι αυτή της κλίμακας, όπως λέμε στη φυσική. Στη μακροσκοπική κλίμακα, το γάλα είναι ομοιογενές, φαίνεται να έχει συμπαγές χρώμα και πυκνότητα. Σε ένα μικροσκόπιο, ωστόσο, είναι ανομοιογενές, αποτελούμενο από μικρά σφαιρίδια λίπους που αιωρούνται στο λεπτότερο, υδαρές υγρό. Αντίθετα, το ντρέσινγκ βινεγκρέτ είναι ανομοιογενές σε κάθε κλίμακα, μακροσκοπικό και μικροσκοπικό — μπορείτε εύκολα να δείτε τις ξεχωριστές σταγόνες λαδιού και νερού.
Βλέποντας ότι είμαστε πολύ μικροί σε σύγκριση με το Σύμπαν, η άποψή μας για αυτό είναι ανάλογη με τη μικροσκοπική όψη. από τη μικροσκοπική μας πέρκα, είναι δύσκολο να πούμε αν η θέα του θεού θα έδειχνε ομοιογένεια ή όχι. Για να δοκιμαστεί η αρχή απαιτεί χαρτογράφηση γαλαξιών σε ένα σημαντικό τμήμα του παρατηρήσιμου Σύμπαντος, συγκρίνοντας τις θέσεις και τις κινήσεις τους. Για παράδειγμα, ο Γαλαξίας και οι γειτονικοί του γαλαξίες στην Τοπική Ομάδα βρίσκονται στα περίχωρα μιας περιοχής γνωστής ως Τοπικό Κενό - μια περιοχή με σημαντικά χαμηλότερη πυκνότητα ύλης από τον μέσο όρο σε ολόκληρο το Σύμπαν.
Αν βρισκόμασταν πραγματικά μέσα στο Τοπικό Κενό χωρίς να το γνωρίζουμε, μπορεί να ξεγελαστούμε πιστεύοντας ότι ο κόσμος είναι πιο ομοιογενής από ό,τι είναι στην πραγματικότητα. Αυτή είναι μια ελεγχόμενη υπόθεση, με βαθιές συνέπειες αν είναι αλήθεια. Για να αναφέρουμε μόνο ένα, η επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος που έχουν παρατηρήσει οι αστρονόμοι —που πιστεύεται ότι οδηγείται από τη μυστηριώδη «σκοτεινή ενέργεια»— μπορεί να είναι εντελώς απατηλή. Καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, η ύλη συσσωρεύεται λόγω της βαρύτητας, με αποτέλεσμα την ταχεία ανάπτυξη των κενών μεταξύ των συστάδων. Αν βρισκόμαστε μέσα σε ένα κενό σε ένα ογκώδες Σύμπαν αλλά σκεφτόμαστε βρισκόμαστε σε ένα ομοιογενές Σύμπαν, η ανάπτυξη της φυσαλίδας στην οποία βρισκόμαστε παραμορφώνει τις μετρήσεις μας για τις αποστάσεις και τις ταχύτητες των γαλαξιών πολύ έξω από το κενό. Εάν τα πράγματα είναι ανομοιογενή, τότε η βαθμονόμησή μας είναι απενεργοποιημένη, εξαπατώντας μας να δημιουργήσουμε αυτό το πράγμα που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια.
Μια άλλη παρενέργεια της ανομοιογένειας είναι ότι διαφορετικές περιοχές του διαστήματος πρέπει να διαστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς, λόγω των στρεβλωτικών επιπτώσεων τεράστιων συστάδων ύλης, επομένως η καταγεγραμμένη ηλικία του Σύμπαντος θα ποικίλλει από μέρος σε μέρος. Μετράμε 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια από τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά αν ο Κόσμος ήταν ανομοιογενής, ένας παρατηρητής σε έναν μακρινό γαλαξία θα μπορούσε να καταγράψει 18 δισεκατομμύρια χρόνια, ή 13,5 δισεκατομμύρια. Επομένως, ένα ανομοιογενές Σύμπαν είναι πολύ πιο περίπλοκο, αλλά δεν μπορούμε να απορρίψουμε την ιδέα μόνο και μόνο επειδή είναι άβολο για τους επιστήμονες χωρίς να το δοκιμάσουν. Ένας τρόπος για να το κάνετε αυτό περιλαμβάνει τη χαρτογράφηση σχετικά κοντινών γαλαξιών για να μετρήσετε πόσο κενό βρισκόμαστε.
Μια πρόσφατη ανάλυση 4.534 γαλαξιών διαπίστωσε ότι αν δεν υποθέσουμε την ομοιογένεια από την αρχή, τα στοιχεία από τις παρατηρήσεις στην πραγματικότητα δείχνουν έναν πολύ άμορφο σύμπαν. Στην πραγματικότητα, η μελέτη ισχυρίστηκε ότι ο όγκος του τοπικού Σύμπαντος και ο τρόπος με τον οποίο η άνιση κατανομή της μάζας αλλάζει το φως, δημιουργεί μια ψευδαίσθηση ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται.
Είναι μια αμφιλεγόμενη ιδέα και δεν είναι όλοι έτοιμοι να βγάλουν τα πιο δυνατά συμπεράσματα. Πράγματι, θα ήταν μεγάλο σοκ—η επιταχυνόμενη επέκταση έχει γίνει τυπικό μέρος της σύγχρονης κοσμολογίας και η ανακάλυψη κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για τρεις ερευνητές το 2011. Η κοσμολόγος Asantha Cooray από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, θεώρησε το ζήτημα της ανομοιογένειας ως Λοιπόν, αλλά είναι σίγουρα προσεκτικός. «Για να εξηγήσει κανείς τη σκοτεινή ενέργεια ή την επιτάχυνση όπως μετριέται τώρα με δεδομένα σουπερνόβα, χρειάζεται ένα κενό που είναι ως επί το πλείστον κενό - ουσιαστικά δεν υπάρχουν γαλαξίες - σε [μεγάλες] αποστάσεις», μου είπε.
Ωστόσο, έρευνες σε γαλαξίες όπως το 2-Micron All-Sky Survey (2MASS), δείχνουν ότι η πυκνότητα των γαλαξιών είναι μόνο 25% μικρότερη από τον μέσο όρο στην κοσμική γειτονιά μας. Για να σας ξεγελάσουν και να πιστεύετε ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι πραγματική ενώ δεν είναι, το κενό στο οποίο βρισκόμαστε πρέπει να είναι πραγματικά τεράστιο για να αναπληρώσει το γεγονός ότι δεν είναι τόσο άδειο. Η εναλλακτική είναι ότι τελικά δεν ξεγελιόμαστε, το κενό στο οποίο βρισκόμαστε δεν είναι τόσο άδειο για αρχή και το Σύμπαν είναι στην πραγματικότητα ομαλό.
Όπως συμβαίνει, υπάρχουν αρκετοί καλοί λόγοι να υποπτευόμαστε ότι το Σύμπαν είναι ομοιογενές στη μεγαλύτερη κλίμακα. Για ένα πράγμα, φαίνεται ότι είναι ισότροπο :ουσιαστικά το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Η καλύτερη απόδειξη για την ισοτροπία είναι το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το οποίο δείχνει ότι η θερμοκρασία του πρώιμου Σύμπαντος ήταν σχεδόν η ίδια σε όλες τις κατευθύνσεις και σε όλες τις κλίμακες. Οι προσεκτικές μετρήσεις δείχνουν ότι η θερμοκρασία δεν κυμαίνεται περισσότερο από ένα μέρος στις 10.000. Μαζί, η ομοιογένεια και η ισοτροπία υποδηλώνουν ότι δεν υπάρχει τίποτα ιδιαίτερα ιδιαίτερο σχετικά με τη θέση μας στο Σύμπαν — ή σε οποιοδήποτε άλλο μέρος. Αυτή η ιδέα ονομάζεται «κοσμολογική αρχή».
Η ομοιογένεια είναι πιο δύσκολο να αποδειχθεί από την ισοτροπία, αλλά μας βοηθά το γεγονός ότι ένας ισότροπος κόσμος πρέπει επίσης να είναι ομοιογενής (αν και το αντίθετο δεν ισχύει απαραίτητα). Αλλά ίσως το Σύμπαν έχει αρκετή εμφάνιση της ισοτροπίας από την οπτική μας για να μας κοροϊδέψει, οδηγώντας μας να πιστέψουμε την κοσμολογική αρχή όταν δεν είναι έτσι.
Για να φαίνεται το Σύμπαν ισότροπο όταν δεν είναι, θα έπρεπε να καταλάβουμε ένα ασυνήθιστο σημείο. Αν σταθείτε σε ένα μικρό νησί, ο ωκεανός εμφανίζεται «ομογενές» (επίπεδο) και ισότροπο, αλλά αν έμπαινες σε μια σχεδία, φύγεις με κουπί και κοιτούσες πίσω στο νησί, θα έβλεπες ότι δεν ήταν τίποτα από τα δύο. Το νησί δείχνει ότι ο ωκεανός δεν είναι ούτε ομοιογενής ούτε ισοτροπικό:Είναι μια ειδική τοποθεσία και μια κατεύθυνση που μπορείτε να δείτε όπου το υψόμετρο είναι μεγαλύτερο από κάθε άλλη κατεύθυνση.
Στην περίπτωσή μας, βλέπουμε έναν ευρέως ισότροπο σύμπαν από εδώ στη Γη, εύλογα να υποθέσουμε ότι δεν καταλαμβάνουμε ιδιαίτερη θέση σε αυτόν και να συμπεράνουμε ότι το Σύμπαν είναι επίσης ομοιογενές στις μεγαλύτερες κλίμακες. Αλλά οι αρχές δεν αρκούν:Χρειαζόμαστε στοιχεία, και αυτό απαιτεί μέτρηση του κοσμικού όγκου. Για να ελέγξουμε πραγματικά την υπόθεση της ομοιογένειας, λέει ο Cooray, πρέπει να διερευνήσουμε τη γαλαξιακή κίνηση πιο μακριά από ό,τι έκαναν ο Wiltshire και οι συνεργάτες του:«Μέχρι κάποιος να ολοκληρώσει αυτή τη μελέτη, η ιδέα ότι ζούμε σε ένα κενό και αν αυτό μπορεί να εξηγήσει την επιτάχυνση θα παραμείνει άλυτη. ” Μόνο τότε θα μάθουμε αν οι αρχέγονες αναταράξεις έλιωσαν στη νεολαία του Σύμπαντος ή παγώθηκαν σε φυσαλίδες που επιμένουν στον κόσμο μας.
Ο Μάθιου Φράνσις είναι φυσικός, συγγραφέας επιστημών, δημόσιος ομιλητής, εκπαιδευτικός και συχνά φορώντας καπέλα. Αυτήν τη στιγμή γράφει ένα βιβλίο για την κοσμολογία με τίτλο εργασίας Back Roads, Dark Skies:A Cosmological Journey.
