Δημιουργία του Κόσμου (1ο Μέρος)

Πώς δημιουργήθηκε ο Κόσμος; Πάντα οι άνθρωποι ζητούσαν να το μάθουν και οι απαντήσεις προέρχονταν από όλες τις πλευρές: από τη θρησκεία, την παράδοση, τη φιλοσοφία, το μυστικισμό και την επιστήμη.

Παρόλο που αυτό δεν φαίνεται σαν πρόβλημα που επιδέχεται επιστημονική μέτρηση, έχει οδηγήσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν λύσεις με συναρπαστικές ιδέες και παρατηρήσεις: το Big Bang, την έννοια του πληθωρισμού, το γεγονός ότι το μεγαλύτερο μέρος του κόσμου αποτελείται από σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια που δεν μπορούμε να αντιληφθούμε, και πολλές άλλες ιδέες.

Φυσικά οι επιστήμονες δεν μπορούν να ισχυρίζονται ότι γνωρίζουν την οριστική αλήθεια. Αλλά μπορούμε να προσεγγίσουμε το θέμα από επιστημονική άποψη και να δούμε τι μπορούμε να ανακαλύψουμε. Πώς γίνεται αυτό; Κατ ‘αρχάς, να κοιτάξουμε τα δεδομένα. Χάρη στη σύγχρονη τεχνολογία, έχουμε πολύ περισσότερες πληροφορίες από ό,τι είχαν οι άνθρωποι τα προηγούμενα χρόνια, στην ίδια ερώτηση. Τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε επιστημονικές μεθόδους και τεχνικές για την ανάλυση των δεδομένων, να τα οργανώσουμε με ένα συνεκτικό τρόπο και να προσπαθήσουμε να εξάγουμε μια απάντηση. Αυτή η διαδικασία και τα κύρια πορίσματά της περιγράφονται παρακάτω.

Η ιδέα της δημιουργίας προσλαμβάνει μια ιδιαίτερη και συγκεκριμένη έννοια στο επιστημονικό πλαίσιο, και δεν πρέπει να συγχέεται με την έννοια της "δημιουργίας εκ του μηδενός» που συναντάμε στη μεταφυσική ή σε μονοθεϊστικές θεολογίες. Στη στενή και πιο συχνή χρησιμοποιούμενη έννοια της, σημαίνει τις προδιαγραφές που πρέπει να υπήρχαν στο σύμπαν στον αρχικό χρόνο, μαζί με τους νόμους της φυσικής οι οποίοι έχουν εξελιχθεί από αυτή την αρχική κατάσταση μέχρι σήμερα.

Η αρχική κατάσταση μπορεί να είναι ή μπορεί να μην είναι κατά προσέγγιση κλασική ή κβαντική και οι νόμοι της εξέλιξης μπορεί να περιλαμβάνουν εξισώσεις της κβαντομηχανικής ή της κλασικής φυσικής.

Μερικές φορές ο προσδιορισμός της αρχικής κατάστασης είναι μόνο στατιστικός, που επιλέγεται από κάποιο σύνολο καταστάσεων με μία καθορισμένη πιθανότητα. Στην περίπτωση αυτή, η ιδέα μιας αρχικής κατάστασης αντικαθίσταται από ένα σύνολο πιθανών αρχικών καταστάσεων και η κατανομή πιθανοτήτων σε αυτόν. Ακόμα και όταν ο Stephen Hawking περιγράφει τη δημιουργία του Σύμπαντος από το "τίποτα" η διαδικασία περιλαμβάνει τον προσδιορισμό ορισμένων αρχικών συνθηκών για την κβαντική κυματοσυνάρτηση.

Έτσι, προκειμένου να συζητήσουμε για τη δημιουργία, χρειαζόμαστε να εξετάσουμε ποιες μπορεί να ήταν οι αρχικές συνθήκες. Έτσι, η επιστημονική έννοια της «Δημιουργίας» είναι στην πραγματικότητα μια μαθηματική περιγραφή με εξισώσεις και αρχικές συνθήκες μιας «φυσικής αρχής» ή μια «εμφάνιση από κάτι».

Το σύμπαν σήμερα

Επειδή θέλουμε να γνωρίζουμε αν το σύμπαν είχε μια αρχή και αν ναι, πώς ξεκίνησε το σύμπαν, θα βοηθούσε να κατασκευάσουμε μια εικόνα του πρώιμου σύμπαντος – πώς θα ήταν στις πρώτες – πρώτες στιγμές του; Το καταφέρνουμε εξετάζοντας το σύμπαν σήμερα. Γνωρίζουμε πολλά για τους νόμους της φύσης σήμερα, και έχουμε πολλές ενδείξεις ότι δεν έχουν αλλάξει στη διάρκεια της ζωής του σύμπαντος. Έτσι, μπορούμε να τους χρησιμοποιήσουμε για να κατασκευάσουμε μια εικόνα του πρώιμου σύμπαντος.

Μπορούμε να δούμε το σύμπαν σήμερα – το περιεχόμενο, το μέγεθος καθώς και την ανάπτυξη του – και να προσπαθήσουμε να κάνουμε μια προέκταση προς τα πίσω. Ένας άλλος συμπληρωματικός τρόπος μάθησης σχετικά με την κατάσταση του σύμπαντος στις πρώτες στιγμές βασίζεται στη θεωρία σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτή η θεωρία μας λέει ότι το φως που έρχεται έπρεπε να ταξιδέψει για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έτσι, το φως που παρατηρούμε σήμερα από απομακρυσμένες πηγές εκπέμφθηκε όταν το Σύμπαν ήταν πολύ νεότερο, κι έτσι προσφέρει πληροφορίες για μια στιγμή του πολύ καιρό πριν.

Όταν κοιτάξετε τον κόσμο σήμερα, τι θα βρείτε; Ξεκινάμε με το τι μπορούμε να δούμε. Αποδεικνύεται ότι δεν μπορούμε να δούμε πολλά! Πολύ μικρό μέρος του σύμπαντος είναι η ορατή ύλη, στην πραγματικότητα, περίπου πέντε τοις εκατό μόνο. Αυτή αποτελείται από αστέρια και αέρια (κυρίως υδρογόνου), όλα συνδέονται μεταξύ τους με τη βαρύτητα μέσα σε γαλαξίες. Οι γαλαξίες επίσης συνδέονται μεταξύ τους, οργανωμένοι σε ομάδες.

Κλίμακες μήκους στο Σύμπαν Μια χρήσιμη μονάδα είναι η απόσταση παρσέκ, η οποία είναι η τυπική απόσταση μεταξύ των άστρων. 1pc = 3,26 έτη φωτός – περίπου 30 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα. τυπικό μέγεθος γαλαξία: 10 Kiloparsec, ή 30.000 έτη φωτός. απόσταση μεταξύ των γαλαξιών: 500 Kpc, ή περίπου 1,5 εκατομμύρια έτη φωτός. απόσταση από το πλησιέστερο γαλαξιακό σμήνος: 20 Mpc (εκατομμύρια παρσέκ) μέγεθος του ορατού σύμπαντος: 10 Gpc (1 gigaparsec είναι ένα δισεκατομμύριο παρσέκ), περίπου 30 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Η πυκνότητα του είναι μόνο 1,4×10-29 gr/cm3

Τα αστέρια είναι σφαιρικά σώματα που αποτελούνται κυρίως από υδρογόνο. Ένα αστέρι εκπέμπει φως, επειδή έχει ένα φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα μέσα του, που καίει με σταθερή “καύση” το υδρογόνο. Υπάρχουν περίπου εκατό δισεκατομμύρια αστέρια σε έναν γαλαξία, και εκατοντάδες δισεκατομμύρια γαλαξίες στο ορατό σύμπαν – που έχουν συνολικά 10.000.000.000.000.000.000.000 άστρα. Οι γαλαξίες περιστρέφονται με μια εκπληκτική ταχύτητα, μία πλήρη περιστροφή κάθε εκατό εκατομμύρια χρόνια.

Στην πραγματικότητα υπάρχουν πολύ περισσότερα αστέρια από τους κόκκους της άμμου στις ακτές μας! Το μέσο μέγεθος ενός κόκκου άμμου είναι 1 mm. έτσι υπάρχουν ένα δισεκατομμύριο κόκκοι άμμου ανά τετραγωνικό μέτρο. Σε ένα χιλιόμετρο θαλάσσιας ακτής υπάρχουν περίπου δέκα χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα – δηλαδή περίπου 1013 κόκκους άμμου. Η χώρα μας έχει εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα αιγιαλού – 1017 κόκκους της άμμου! Το νούμερο αυτό είναι επτά τάξεις μεγέθους (ένα εκατομμύριο φορές) μικρότερο από το ποσό των αστεριών στον ουρανό.

Τι άλλο περιέχει το Σύμπαν;

Αν η ορατή ύλη είναι περίπου το 5% του σύμπαντος μόνο, τι άλλο υπάρχει; Περίπου το ένα τέταρτο του είναι αόρατη ύλη, και γι ‘αυτό ονομάζεται «σκοτεινή ύλη», μέσα και γύρω από τους γαλαξίες και τα σμήνη. Υπάρχει περίπου έξι φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από την ορατή ύλη! Αλλά πώς ξέρουμε ότι είναι εκεί έξω; Η σκοτεινή ύλη ασκεί βαρυτική δύναμη πάνω στην ορατή ύλη. Μπορούμε να το δούμε αυτό με δύο τρόπους.

Πρώτον, μετράμε την ταχύτητα περιστροφής των άστρων και από αυτήν γίνεται εκτίμηση της κεντρομόλου δύναμης και από αυτή η ποσότητα της ύλης που ασκεί αυτή η δύναμη.

Δεύτερον, «παρατηρούμε» σμήνη γαλαξιών. Ένα παράδειγμα ενός διάσημου σμήνους γαλαξιών είναι το σμήνος του Περσέα. Πώς μπορούμε να σχεδιάσουμε την σκοτεινή ύλη σε ένα σμήνος γαλαξιών; Χαράζοντας τις κατάλληλες ταχύτητες των μεμονωμένων γαλαξιών και άστρων, κοιτάζοντας τον χάρτη της θερμοκρασίας, αναλύοντας τον βαρυτικό εστιασμό και από την ανακατασκευή των συγκρούσεων. Καταλήγουμε έτσι στο συμπέρασμα ότι σε σμήνη γαλαξιών, επίσης, υπάρχει περίπου πέντε φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από την ορατή ύλη.

Μέχρι στιγμής μετρήσαμε περίπου 5% ορατή ύλη και στη συνέχεια άλλο ένα 25% σκοτεινή ύλη – και το υπόλοιπο είναι πράγματι κάτι άγνωστο. Αυτό το υπόλοιπο συστατικό του σύμπαντος το λέμε "σκοτεινή ενέργεια", και κατανέμεται ομοιόμορφα σε ολόκληρο το σύμπαν. Πως το ξέρουμε; Αυτή είναι μια μακρά και συναρπαστική ιστορία, και δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί.

Πώς συμπεριφέρεται το σύμπαν;

Μέχρι ώρα έχουμε περιγράψει τι περιέχει το σύμπαν. Η επόμενη ερώτηση είναι: Τι κάνει;

Οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν ακούσει ότι διαστέλλεται. Οι άνθρωποι ρωτούν συχνά: Σε τι επεκτείνεται; Μια δημοφιλής εξήγηση είναι ότι το σύμπαν είναι ένα είδος μπαλονιού.

Σχεδιάζουμε αστέρια στην επιφάνεια του μπαλονιού, και καθώς το φυσάμε βλέπουμε τα άστρα σε μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους. Αλλά το μπαλόνι επεκτείνεται στον περιβάλλοντα αέρα. Το σύμπαν, ωστόσο, δεν έχει περιβάλλοντα αέρα. Τα πάντα είναι εκεί μέσα. Έτσι, σε ό,τι αφορά την διαστολή, η σωστή απάντηση είναι ότι επεκτείνεται στο τίποτα. Δεν υπάρχει κανείς έξω από το σύμπαν να βλέπει ότι γίνεται ολοένα και πιο μεγάλο. Αντίθετα, η επέκταση μπορεί να θεωρηθεί ως μία επαναβαθμονόμηση (recalibration) της απόστασης. Αυτή ήταν η μεγάλη ανακάλυψη του Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1907 που οδήγησε στην γενική θεωρία της σχετικότητας, η οποία ολοκληρώθηκε 10 χρόνια αργότερα.

Φανταστείτε ένα πλέγμα. Πείτε ότι οι γραμμές του πλέγματος απέχουν ένα εκατοστό.. Τώρα σχεδιάστε δύο αστέρια το καθένα σε μια γραμμή του πλέγματος και ανάμεσα τους μία γραμμή πλέγματος. Έτσι, τα αστέρια απέχουν δύο εκατοστά. Τώρα κάποιος με ένα μαγικό ραβδί αλλάζουν σιγά-σιγά τις γραμμές του πλέγματος ώστε τώρα να απέχουν ένα μέτρο μεταξύ τους. Τα αστέρια βρίσκονται ακόμη στις ίδιες γραμμές του πλέγματος. Αυτά δεν έχουν μετακινηθεί με σχέση με το δίκτυο, και δεν έχουν μετακινηθεί προς τα έξω στο εξωτερικό διάστημα. Αλλά είναι πλέον εκατό φορές πιο μακριά, μόνο και μόνο επειδή το μέτρο της απόστασης μεταξύ τους έχει αυξηθεί.

Πώς ξέρουμε ότι το σύμπαν διαστέλλεται;

Οι γαλαξίες εκπέμπουν φως σε διάφορα χρώματα. Όσο πιο κόκκινο είναι το φως, τόσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος του και τόσο χαμηλότερη συχνότητα έχει. Από την άλλη πλευρά το μπλε φως έχει μικρότερο μήκος κύματος και υψηλότερη συχνότητα. Θεωρούμε ότι οι γραμμές εκπομπής των αερίων από μακρινούς γαλαξίες μετατοπίζονται προς το ερυθρό άκρο της συχνότητας.

Ο Νόμος του Hubble, που ανακαλύφθηκε από τον Edwin Hubble το 1929, μας λέει ότι όσο πιο μακριά από μας έρχεται το φως ενός γαλαξία ή ενός σμήνους γαλαξιών τόσο μεγαλύτερη είναι μετατόπιση του μήκους κύματος προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Ο νόμος σχετίζεται με την “ψευδή ταχύτητα” που απομακρύνεται από μας ένας γαλαξίας: C*Z = Hο*D, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και z η μετατόπιση προς το ερυθρό, έτσι το γινόμενο c*z δίνει την "ψευδή ταχύτητα". Η ταχύτητα είναι λοιπόν πλαστή, διότι δεν είναι οι γαλαξίες που κινούνται, όπως τα αστέρια στο παραπάνω πλέγμα δεν κινούνται αλλά επεκτείνεται το δίκτυο. Η σταθερά του Hubble Hο είναι μια σταθερά αναλογικότητας σε μονάδες 1/sec (η συνηθισμένη μονάδα για την σταθερά Hubble είναι 1 (km/s)/Mpc, έτσι μας δίνει την ταχύτητα του γαλαξία σε km/s αν η απόσταση του είναι megaparsec ή 3.09×10 στη 19 km), και d είναι η απόσταση από μας έως το αντικείμενο. Ο τύπος αυτός σημαίνει ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό z είναι ανάλογη με την απόσταση: από όσο πιο μακριά έρχεται το φως που εκπέμπει το αντικείμενο, τόσο πιο κόκκινο εμφανίζεται το τελευταίο. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να πούμε, ότι αν οι γαλαξίες φαίνονται πιο ερυθροί τότε στην πραγματικότητα βρίσκονται πιο μακριά.

Η ανακάλυψη του διαστελλόμενου σύμπαντος Ο Ρώσος Alexander Friedmann ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε ότι οι κοσμολογικές λύσεις στις εξισώσεις του Αϊνστάιν εξαρτώνται από τον χρόνο και κατανόησε ότι σε κάποιες από αυτές, φαίνεται το σύμπαν να δημιουργήθηκε σε κάποια στιγμή του χρόνου κατά το παρελθόν. Στην πρώτη δημοσίευση του 1922 υπολόγισε στην πραγματικότητα την ηλικία του σύμπαντος και διαπίστωσε ότι είναι περίπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια, ένα εκπληκτικά ακριβή αριθμό. Είναι σαφές ότι Friedmann κατανόησε τη σχέση μεταξύ της ηλικίας του σύμπαντος και του ρυθμού επέκτασης του. Αν κάποιος μεταφράσει την ηλικία των 10 δισεκατομμυρίων ετών σε ένα ρυθμό επέκτασης τότε παίρνει έναν αριθμό που είναι πολύ πιο κοντά στη σωστή τιμή που έδωσε ο Lemaître και αργότερα ο Hubble. Το 1927 ο Βέλγος ιερέας και κοσμολόγος Georges Lemaître, ενώ αναζητούσε έναν τρόπο να συνδυάσει το στατικό σύμπαν του Αϊνστάιν με το άδειο διαστελλόμενο σύμπαν του Ολλανδού αστρονόμου Willem deSitter, ανακάλυψε ανεξάρτητα τις λύσεις του Φρήντμαν, και για ένα συγκεκριμένο μοντέλο ήταν σε θέση να χρησιμοποιεί τις ερυθρές μετατοπίσεις και τις γνωστές αποστάσεις των νεφελωμάτων για να πάρει στη συνέχεια τη σχέση που θα γινόταν αργότερα γνωστός ως «νόμος του Hubble». Ο Λεμέτρ μαζί με τον George Gamow έδωσε έμφαση στην έννοια της «φυσικής αρχής» του σύμπαντος. Μερικές φορές υποστηρίζεται ότι η ανακάλυψη του διαστελλόμενου σύμπαντος από τους Φρήντμαν και Λεμέτρ δεν έγινε τόσο γνωστή, για «κοινωνιολογικούς λόγους», γιατί δεν ήταν τόσο γνωστοί όσο πιο διάσημοι επιστήμονες, σαν τον Arthur Eddington, τον Αϊνστάιν ή τον deSitter, ή επειδή τα πρωτότυπα έργα τους είναι γραμμένα σε λιγότερο γνωστές γλώσσες. Χωρίς να υπεισέλθουμε σε λεπτομέρειες σχετικά με αυτό το θέμα, αυτό το επιχείρημα είναι ανεπαρκές, επειδή το επιστημονικό έργο και των δύο ήταν γνωστό στους κορυφαίους κοσμολόγους. Η απλούστερη και καλύτερη εξήγηση είναι ότι οι συνεισφορές των Φρήντμαν και Λεμέτρ στην κοσμολογία δεν ήταν οι κύριες συνεισφορές στο να προωθηθεί η ανάπτυξη της ιδέας της διαστολής του σύμπαντος.

Ξεκινήσαμε να παρατηρούμε το σημερινό σύμπαν ως βάση για να ψάξουμε για την αρχή του. Τι γνωρίζουμε; Είδαμε τι το σύμπαν περιέχει: 5% της ορατής ύλης, άλλο 1/4 σκοτεινή ύλη και το υπόλοιπο είναι κάτι που δεν γνωρίζουμε, αλλά που ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια. Γνωρίζουμε επίσης ότι επεκτείνεται. Και γνωρίζουμε αρκετά για την ορατή ύλη. Με βάση όσα γνωρίζουμε για το σύμπαν, οι επιστήμονες έχουν περισσότερες από μία προτάσεις για το πώς ξεκίνησε.

Το καυτό Big Bang

Το μοντέλο του καυτού Big Bang για το σύμπαν προτείνει ότι σε παλαιότερες εποχές το σύμπαν ήταν καυτό και πυκνό. Καθώς κοιτάμε πίσω στο χρόνο βλέπουμε δύο σημαντικές αλλαγές:

Πρώτον, η διαστολή αραιώνει τα πράγματα. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, επειδή δεν δημιουργείται νέα ύλη, η πυκνότητα της ύλης γίνεται μικρότερη. Έτσι, η πυκνότητα της ύλης στον πρώτο καιρό ήταν μεγαλύτερη.

Δεύτερον: Καθώς επεκτείνεται το σύμπαν ψύχεται. Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης ταχύτητας των σωματιδίων. Τώρα φανταστείτε δύο σωματίδια (θα μπορούσαν να είναι δύο μόρια αερίου ή ακόμα και ολόκληροι γαλαξίες) που δεν είναι πλέον σε κατάσταση ηρεμίας, αλλά κινούνται με μια ορισμένη ταχύτητα. Επειδή το δίκτυο (που αναφέραμε πιο πάνω για να εξηγήσουμε την διαστολή) διαστέλλεται, καλύπτουν λιγότερα σημεία του δικτύου την ίδια στιγμή απ’ ό,τι αν δεν υπήρχε διαστολή. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητά τους μειώνεται και κατά συνέπεια και η θερμοκρασία τους. Έτσι, το σύμπαν ήταν κάποτε θερμότερο.

Ποια απόδειξη υπάρχει για το μοντέλο του καυτού Big Bang; Υπάρχουν τρία σημαντικά αποδεικτικά στοιχεία. Το πρώτο, που μόλις συζητήσαμε, είναι η διαστολή του σύμπαντος. Μια άλλη σημαντική ένδειξη είναι η ύπαρξη μιας ομοιόμορφης εξασθενημένης ακτινοβολίας όπου έχουμε δει. Είναι η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου και έχει δώσει δύο βραβεία Νόμπελ: Το 1978 στους αστρονόμους Arno Penzias και Robert Wilson, οι οποίοι την ανακάλυψαν, και το 2006 στους John Mather και George Smoot, οι οποίοι ανέλυσαν τις παρατηρήσεις της ακτινοβολίας και διαπίστωσαν ότι επιβεβαιώνει πολλές πτυχές της θεωρίας του Big Bang. Η τρίτη απόδειξη αφορά τη δημιουργία των στοιχείων: την πυρηνοσύνθεση.

(Συνέχεια στο 2ο μέρος)