του Κωνσταντίνου Ε. Βαγιονάκη*
Η Μεγάλη Εκρηξη και η ιστορία του Σύμπαντος
«Απορώ με τους ανθρώπους που θέλουν να “γνωρίσουν” το Σύμπαν όταν είναι αρκετά δύσκολο να βρεις τον δρόμο σου στην Τσαϊνατάουν» Γούντι Αλεν
Η σύγχρονη κοσμολογία ξεκίνησε το 1917 με την εφαρμογή από τον ίδιο τον Αλβέρτο Αϊνστάιν της γενικής θεωρίας της σχετικότητας σε ολόκληρο το Σύμπαν. Τότε βέβαια όλες οι ενδείξεις ήταν για ένα στατικό, αμετάβλητο και αιώνιο Σύμπαν που απετελείτο από έναν μόνο γαλαξία, τον δικό μας. Για να περιγράψουν οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας ένα στατικό Σύμπαν, ο Αϊνστάιν προσέθεσε έναν όρο με μια σταθερά που αντιστάθμιζε την ελκτική βαρύτητα και έμεινε γνωστή ως «κοσμολογική σταθερά».
Μέσα σε δέκα χρόνια οι παρατηρησιακές ενδείξεις άλλαξαν δραματικά. Από το 1924 ως το 1929, χρησιμοποιώντας το ιστορικό τηλεσκόπιο του αστεροσκοπείου στο όρος Γουίλσον στην Καλιφόρνια, ο Εdwin Ηubble έδειξε ότι όχι μόνο υπήρχαν εκατομμύρια άλλοι γαλαξίες όπως ο δικός μας αλλά και ότι αυτοί απομακρύνονταν ο ένας από τον άλλον κατά τρόπο που μπορούσε να περιγραφεί με μια απλή μαθηματική σχέση, έκτοτε γνωστή ως «νόμος του Ηubble»: όσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας τόσο πιο γρήγορα κινείται.
Ο νόμος του Ηubble υπήρξε η πρώτη ένδειξη μιας δυναμικής εξέλιξης του Σύμπαντος που στην πραγματικότητα ήρθε να βρει μιαν έτοιμη εξήγηση. Οπως είχαν ήδη δείξει ο Αlexander Friedmann το 1922 και ο Georges Lematre το 1927, οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας επέτρεπαν την περιγραφή ενός Σύμπαντος σε διαστολή, όπου δηλαδή ο ίδιος ο χώρος διαστέλλεται. Ως συνέπεια αυτής της διαστολής οι γαλαξίες απομακρύνονται και τα φωτεινά κύματα επιμηκύνονται με αποτέλεσμα τη συστηματική μετατόπισή τους προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Ο Αϊνστάιν και πολλοί άλλοι φυσικοί εγκατέλειψαν τότε την κοσμολογική σταθερά.
Η ερμηνεία αυτή του νόμου του Ηubble δείχνει μιαν «αρχή»: το Σύμπαν αραιώνει και ψύχεται καθώς διαστέλλεται, οπότε, αν φανταστούμε ότι γυρνάμε τον χρόνο πίσω, γίνεται όλο και πιο πυκνό και θερμό. Μπορούμε τότε να εφαρμόσουμε τους νόμους της φυσικής που έχουμε καλά κατανοήσει και ελέγξει ως τώρα- θερμοδυναμική, σωματιδιακή φυσική, πυρηνική και ατομική φυσική, βαρύτητα, δυναμική των ρευστών- για να ιχνηλατήσουμε τη θερμική ιστορία του διαστελλόμενου Σύμπαντος από κάποια ορισμένη αρχική στιγμή
ως σήμερα. Εχουμε έτσι κατακτήσει έναν σημαντικό βαθμό εμπιστοσύνης για τα γεγονότα που διαμόρφωσαν το Σύμπαν μας όλο αυτό το διάστημα (περίπου για το 99,99% της όλης ιστορίας του).
Πράγματι σε πολύ πρώιμες στιγμές η θερμοκρασία ήταν πολύ υψηλή, ικανή να ιονίσει το υλικό που γέμιζε το Σύμπαν. Μπορούμε τότε από το αρχικό πλάσμα στοιχειωδών σωματιδίων να κατανοήσουμε τον σχηματισμό πρωτονίων και νετρονίων μέσα στο πρώτο μικροδευτερόλεπτο και από εκεί να προβλέψουμε πώς αυτά συνδυάζονται για τον σχηματισμό των ελαφρών πυρήνων δευτερίου, ηλίου και λιθίου μέσα στα τρία πρώτα λεπτά. Η συμφωνία αυτής της «αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης» με την παρατηρούμενη αφθονία αυτών των στοιχείων είναι μία από τις πιο εντυπωσιακές συνέπειες της διαστολής ενός αρχικού θερμού Σύμπαντος.
Αμέσως μετά το Σύμπαν συνίστατο από ένα πλάσμα πυρήνων, ηλεκτρονίων και φωτονίων το οποίο ήταν αρκετά πυκνό για να επιτρέψει στα φωτόνια να διαφύγουν. Καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, έφτασε μια στιγμή όπου οι ενέργειες δεν ήταν ικανές να το κρατήσουν ιονισμένο, με αποτέλεσμα να αρχίσει ο σχηματισμός ουδέτερων ατόμων και τα φωτόνια να αποδεσμευθούν. Αυτή είναι η ακτινοβολία που από τότε έχει ταξιδέψει ουσιαστικά ανεμπόδιστη διά μέσου του Σύμπαντος παρέχοντας ένα φωτογραφικό στιγμιότυπό του όταν αυτό ήταν περίπου 380.000 ετών και η θερμοκρασία του ανερχόταν σε περίπου 3.000 Κ. Σήμερα, περίπου 13,7 δισεκατομμύρια έτη αργότερα, η ακτινοβολία αυτή έχει ψυχθεί σε συχνότητες μικροκυμάτων και παρατηρείται ως η «κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου», μια θερμική ακτινοβολία 2.73 Κ και εξαιρετικής ομοιομορφίας, αδιάψευστες ενδείξεις της κοσμολογικής προέλευσής της. Ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά από τους Αrno Ρenzias και Robert Wilson το 1965 και τα χαρακτηριστικά της, ιδιαίτερα οι μικρές θερμοκρασιακές διακυμάνσεις της, που σχετίζονται με μικρές διακυμάνσεις στη πυκνότητα ύλης και ενέργειας και που με τη σειρά τους οδήγησαν στον σχηματισμό των μεγάλων κοσμικών δομών στο ύστερο Σύμπαν, μετρήθηκαν από τους δορυφόρους CΟΒΕ το 1992 και WΜΑΡ το 2003 και μετά, ενώ ακόμη υψηλότερη ακρίβεια αναμένεται από τα δεδομένα του δορυφόρου Ρlanck που εκτοξεύθηκε εφέτος. Το πρότυπο για τη διαστολή ενός αρχικά θερμού και πυκνού Σύμπαντος αποτελεί το «καθιερωμένο πρότυπο» της κοσμολογίας. Ο όρος αυτός σημαίνει ότι πρόκειται πράγματι για ένα πρότυπο, ένα μοντέλο που συνιστά προσέγγιση, όπως κάθε γνώση, σε αυτό που παρατηρούμε και που
έχει δοκιμαστεί με επιτυχία σε μια σειρά μη τετριμμένων ελέγχων, που δεν αφήνουν περιθώριο σε άλλη πειστική εναλλακτική πρόταση.
Το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο είναι ευρύτερα γνωστό ως πρότυπο της Μεγάλης Εκρηξης, ένας όρος με ιδιαίτερη απήχηση που αναφέρεται στο μεμονωμένο γεγονός μιας αρχικής έκρηξης που υποτίθεται ότι σημάδεψε την αρχή των πάντων. Πράγματι, γυρίζοντας τον χρόνο πίσω ως περίπου το ένα δέκατο του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου από την αρχή, ως δηλαδή εκεί που μπορούμε να εφαρμόσουμε με κάποια εμπιστοσύνη τους νόμους της φυσικής που ξέρουμε, το ερώτημα παραμένει: Τι συνέβη πριν; Από εκείνη τη στιγμή ως τον λεγόμενο χρόνο Ρlanck μόνο υποθετικές θεωρήσεις μπορούμε να διατυπώσουμε, λιγότερο ή περισσότερο εύλογες (όπως ο λεγόμενος «κοσμολογικός πληθωρισμός»), με βάση πάντα μια υποκείμενη φυσική. Αλλά και πάλι: Τι συνέβη ακόμη πιο πριν; Πέρα από το κρίσιμο όριο του χρόνου Ρlanck, οι παρούσες θεωρίες μας αρχίζουν να χάνουν το νόημά τους. Ειδικότερα οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας καταλήγουν στη λεγόμενη «αρχική ιδιομορφία» στο σημείο μηδέν, όπου η θερμοκρασία, η πυκνότητα και η καμπυλότητα αποκλίνουν προς το άπειρο. Η Μεγάλη Εκρηξη υποτίθεται ότι πυροδότησε τη διαστολή του Σύμπαντος τότε και εδώ αρχίζει το μυστήριο!
Στην πραγματικότητα δεν έχουμε άμεσες φυσικές ενδείξεις για τις εποχές πριν από την εποχή της εκπομπής της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Αν κάποια ημέρα σταθεί δυνατόν να υπάρξουν και να αναλυθούν τέτοιες ενδείξεις (π.χ., ανίχνευση κοσμολογικών νετρίνων υποβάθρου ή βαρυτικής ακτινοβολίας υποβάθρου, κάτι που προς το παρόν φαντάζει εξαιρετικά δύσκολο), τότε οι ιδέες μας θα μπορέσουν να ελεγχθούν και λογικά να ενσωματωθούν στο καθιερωμένο πρότυπο (ή σε κάποια επέκτασή του). Εξακολουθεί όμως να μας είναι αδύνατον να σκεφθούμε κάτι που να συνδέεται με την αρχική στιγμή της Μεγάλης Εκρηξης ή αν ένα τέτοιο μεμονωμένο γεγονός πράγματι συνέβη.
Αλλωστε στο ερώτημα «πού συνέβη η Μεγάλη Εκρηξη;» είναι λάθος να σκέπτεται κανείς ότι αναγκαστικά αυτό συνέβη σε ένα εντοπισμένο σημείο. Επειδή πρόκειται για μια χωροχρονική ιδιομορφία με άπειρη πυκνότητα, η απάντηση θα μπορούσε να είναι σε κανένα σημείο και παντού μαζί, ένα είδος εμβρυϊκής κατάστασης που εκτεινόμενη έδωσε γένεση σε αυτό που παρατηρούμε 13,7 δισεκατομμύρια έτη μετά. Και στο έσχατο ερώτημα «τι υπήρχε πριν από τη Μεγάλη Εκρηξη;» η
απάντηση θα μπορούσε να είναι ότι αυτό δεν έχει νόημα, μια και η Μεγάλη Εκρηξη δημιούργησε η ίδια (υποθέτουμε μέσα από τις διαδικασίες μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας) τον χώρο και τον χρόνο, την ύλη και την ενέργεια (με τον ίδιο τρόπο, δεν έχει νόημα να ρωτάμε τι υπάρχει βορειότερα του Βορείου Πόλου). Στην πραγματικότητα, καμία τέτοια ή άλλη υπόθεση (π.χ., ότι η Μεγάλη Εκρηξη που οδήγησε στο δικό μας Σύμπαν είναι μία από άπειρες άλλες σε έναν αιώνιο χώρο ή ότι η Μεγάλη Εκρηξη είναι ένα στάδιο ενός αιώνιου κύκλου διαστολής- συστολής) δεν αποτελεί σήμερα μέρος αυτού που η επιστήμη ονομάζει καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο της Μεγάλης Εκρηξης.
Επιστημονικά αρκεί μόνο μια βεβαιωμένη αποτυχία για να απορρίψει ένα πρότυπο. Κάτι τέτοιο δεν έχει υπάρξει ως σήμερα για το πρότυπο της Μεγάλης Εκρηξης ούτε έχουμε κάποια μείζονα ασυνέπειά του. Π.χ., η σημερινή τιμή της σταθεράς του Ηubble (70 σχετικές μονάδες), που υπεισέρχεται στον ομώνυμο νόμο και που σχετίζεται με την ηλικία του Σύμπαντος, συνδυαζόμενη με την από δεκαετίας παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή που φαίνεται να επανεισαγάγει μια μικρή τιμή για τη κοσμολογική σταθερά, συνεπάγεται ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι σε συμφωνία με την ηλικία των πιο παλιών αστρικών σμηνών του γαλαξία μας. Την ίδια στιγμή βέβαια παραμένουν προβλήματα ανοικτά (π.χ., η άγνωστη φύση κάποιων παραμέτρων, όπως η κοσμολογική σταθερά), που πάντως δεν είναι ικανά να θυσιάσουν τον κύριο κορμό του καθιερωμένου κοσμολογικού προτύπου.
Φιλοσοφικά η γενική πεποίθηση τείνει να είναι ότι το Σύμπαν δεν μπορεί να έχει μιαν αρχή (ή και ένα τέλος). Η παρατηρούμενη κοσμολογική εξέλιξη όμως αποτελεί βασική επιτυχία του καθιερωμένου προτύπου. Από την άλλη μεριά, το καθιερωμένο πρότυπο βασίζεται σε κάποιες παραδοχές. Κεντρική ανάμεσά τους είναι η παραδοχή της οικουμενικότητας των νόμων της φυσικής, ότι δηλαδή μπορούμε να προεκτείνουμε την τοπική φυσική μακριά στον χώρο και στον χρόνο (τουλάχιστον ως εκεί που ξέρουμε ότι αρχίζει να αποτυγχάνει, όπως στη Μεγάλη Εκρηξη). Ούτε αυτό όμως είναι χωρίς εμπειρική υποστήριξη. Και άλλωστε η δύναμη της επιστήμης πηγάζει πάντα από την αφαίρεση (το αντίθετο αποτελεί θετικιστική προκατάληψη).
Μερικοί λένε ότι το πρότυπο της Μεγάλης Εκρηξης διηγείται μια ιστορία του Σύμπαντος πολύ ωραία για να είναι αληθινή. Η αλήθεια είναι ότι το πρότυπο της Μεγάλης Εκρηξης διηγείται μια ιστορία του Σύμπαντος πολύ απλή για να είναι λάθος.
* Καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο πανεπιστήμιο Ιωαννίνων
ΨΗΦΙΑΚΗ ΘΕΟΛΟΓΙΑ 
Σχολιάστε