Το μηδέν και το άπειρο

Η Κοσμολογία, παρ’ ότι προσπαθεί να δώσει απάντηση σε θεμελιώδη ερωτήματα που έθεσε ο άνθρωπος από την αυγή ακόμη του πολιτισμού, είναι μια σχετικά νέα επιστήμη· θα μπορούσε να χαρακτηρισθεί επιστήμη του 20ού αιώνα. Το ερώτημα «πώς δημιουργήθηκαν το Σύμπαν και ο ανθρωπος» ­ στο οποίο ως πρόσφατα η απάντηση αναζητιόταν μόνο στους χώρους της Φιλοσοφίας και της Θρησκείας ­ αφορά πλέον την Επιστήμη και τη μεθοδολογία της. Η ιστορική διαδρομή που διάνυσε η ανθρώπινη νόηση, για να φθάσει στο σημείο να μελετά με αυστηρά επιστημονικές μεθόδους την ίδια τη γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος, είναι μακραίωνη και έχει περάσει μέσα από δαιδαλώδεις λαβύρινθους αναζήτησης. Μόνο στις αρχές του 20ού αιώνα, με την ανάπτυξη της Φασματοσκοπίας και των μεγάλων τηλεσκοπίων καθώς και με τη θεμελίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, η Κοσμολογία κατέκτησε τη θέση της ­ περίοπτη μάλιστα ­ ανάμεσα στις σύγχρονες επιστήμες.

Κάνοντας μια μικρή ιστορική αναδρομή στις κοσμολογικές απόψεις ανά τους αιώνες, δεν μπορούμε παρά να σταματήσουμε στην αρχαία Ελλάδα και να θαυμάσουμε τις φιλοσοφικές αναζητήσεις και τα συμπεράσματα στα οποία κατέληξαν οι πρόγονοί μας παρατηρώντας τη Φύση. Οι αρχαίοι έλληνες στοχαστές και ειδικότερα οι Ιωνες ήσαν οι πρώτοι στην ιστορία του ανθρωπίνου πολιτισμού που, απορρίπτοντας τις μυστικιστικές δοξασίες και τις μυθολογικές διηγήσεις και ερμηνείες περί της γένεσης του κόσμου ­ διηγήσεις που κυριαρχούν στους λαμπρούς πολιτισμούς της Ανατολής ­ αποπειράθηκαν να εξηγήσουν το Σύμπαν στη βάση των Φυσικών Επιστημών. Πολλές φορές προσέγγισαν με εκπληκτική διορατικότητα σύγχρονες επιστημονικές αλήθειες, που για να τις κατακτήσει η ανθρωπότητα χρειάστηκε η συσσώρευση γνώσης δεκάδων αιώνων. Για παράδειγμα, στον Πυθαγόρα (572- 495 π.Χ.) αποδίδεται η διαπίστωση ότι η Γη και τα άλλα κοσμικά σώματα είναι σφαιρικά. Είναι άγνωστο το πώς κατέληξε σε αυτή την άποψη, αν και εικάζεται ότι οι λόγοι ήταν καθαρά αισθητικοί, λόγω της τελειότητας του σφαιρικού σχήματος. Επίσης ο Πυθαγόρας πρώτος ανακαλύπτει ότι η κίνηση των πλανητών είναι αντίθετη προς τη φαινόμενη περιστροφική κίνηση των αστέρων πέριξ της Γης. Παρ’ ότι ο ίδιος πίστευε στο γεωκεντρικό σύστημα, αυτές του οι διαπιστώσεις οδήγησαν τους μεταγενέστερους πυθαγορείους (ίσως πρώτα τον Φιλόλαο) να διατυπώσουν ένα κοσμολογικό σύστημα, σύμφωνα με το οποίο η Γη δεν βρίσκεται πλέον στο κέντρο του Σύμπαντος, αλλά περιστρέφεται μαζί με τον Ηλιο και τους άλλους πλανήτες γύρω από ένα κοινό κέντρο, το Κεντρικό Πυρ. Σχεδόν δύο αιώνες αργότερα ­ και δεκαοκτώ πριν από τον Κοπέρνικο ­ ο Αρίσταρχος ο Σάμιος προτείνει το Ηλιοκεντρικό Σύστημα. Η θέση του αυτή δεν έγινε αποδεκτή από το φιλοσοφικό κατεστημένο της εποχής, που δεχόταν άκριτα την κυρίαρχη αριστοτελική φιλοσοφική θεώρηση, σύμφωνα με την οποία η Γη, η κατοικία θεών και ανθρώπων, ήταν το κέντρο του Σύμπαντος. Είναι επίσης χαρακτηριστική η θέση του Ηράκλειτου του Εφέσιου (540-480 π.Χ.), κατά πολλούς «πατέρα» της Διαλεκτικής, ότι πυρός τε ανταμοιβή τα πάντα και πυρ δε πάντων, που διαισθητικά προσεγγίζει την ταυτότητα ύλης και ενέργειας μέσω της μετατροπής του ενός στο άλλο. Χωρίς να αναφερθώ σε άλλους στοχαστές της Αρχαιότητας, μια και κάτι τέτοιο είναι έξω από τους σκοπούς αυτού του άρθρου, θα προχωρήσω στην καταγραφή των σύγχρονων κοσμολογικών απόψεων. Η Θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης (Big Bang)

Θεωρητική πρόβλεψη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) του Αϊνστάιν είναι ένα εξελισσόμενο Σύμπαν (διαστελλόμενο ή συστελλόμενο), παρ’ όλο που ο ίδιος πίστευε σε ένα στατικό Σύμπαν. Εξαιτίας αυτής της πεποίθησής του έχασε την ευκαιρία να διατυπώσει εκείνος τη γενική λύση των εξισώσεών του, λύση που βρήκε πρώτος ο Friedman, ένας νεαρός ρώσος μετεωρολόγος, το 1922, ο οποίος απέδειξε ότι στη γενική μορφή τους οι λύσεις των εξισώσεων της ΓΘΣ προβλέπουν διαστολή του Σύμπαντος ­ το γεγονός αυτό αποδείχθηκε πειραματικά από τον Hubble το 1929. Δυστυχώς, ο Friedman δεν πρόλαβε να δει την επιβεβαίωση των απόψεών του, καθώς σκοτώθηκε σε μια μετεωρολογική αποστολή με αερόστατο.

Η σύγχρονη μορφή της Θεωρίας της Μεγάλης Εκρηξης θεμελιώθηκε από τους Gamow, Herman και Alpher, και υποστηρίζει ότι το Σύμπαν «γεννήθηκε» με μια έκρηξη από μια αρχική κατάσταση υψηλότατης πυκνότητας και θερμοκρασίας, η οποία δημιούργησε τον ίδιο τον Χώρο και τον Χρόνο. Στη συνέχεια το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται και να ψύχεται, και με την πάροδο του χρόνου και υπό την επίδραση της βαρύτητας οι αρχικά μικρές διαταραχές στην πυκνότητα της ύλης δημιούργησαν τα δομικά στοιχεία του γνωστού μας Σύμπαντος, τους γαλαξίες και τα άστρα (βλέπε σχήμα 2).

Η μελλοντική εξέλιξη του Σύμπαντος εξαρτάται από το συνολικό ποσό της ύλης και της ενέργειας που περιέχει (βλέπε το ένθετο για το μέλλον του σύμπαντος και το σχήμα 4). Εχει βρεθεί ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με ρυθμό πολύ κοντά στην κρίσιμη τιμή, γεγονός που χρειάζεται εξήγηση. Γνωρίζουμε ότι αν το Σύμπαν δεν ξεκινούσε τη διαστολή του με τέτοιο ρυθμό, τότε με την πάροδο του χρόνου θα απέκλινε όλο και περισσότερο από αυτόν και σήμερα θα μετρούσαμε εντελώς διαφορετικό ρυθμό διαστολής. Γιατί λοιπόν ξεκίνησε το Σύμπαν από μια τόσο «ειδική» αρχική κατάσταση;

Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός ότι αν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό πολύ μεγαλύτερο της κρίσιμης τιμής η βαρύτητα που ασκείται σε αυτό συνολικά από την εμπεριεχομένη εντός του ποσότητα ύλης και ενέργειας δεν θα ήταν σε θέση να αντιστρέψει τη διαστολή σε συστολή ούτε στις υψηλής πυκνότητας περιοχές. Κατ’ επέκτασιν δεν θα είχαν γεννηθεί τα άστρα, στον πυρήνα των οποίων δημιουργούνται τα συστατικά στοιχεία από τα οποία είναι φτιαγμένα τα έμβια όντα (άνθρακας κτλ.) και η εξέλιξη των οποίων τελικώς τροφοδοτεί με αυτά τα στοιχεία το Σύμπαν. Αντίστοιχα, αν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό σημαντικά βραδύτερο της κρίσιμης τιμής, τότε πάλι προτού προλάβουν να δημιουργηθούν τα άστρα το Σύμπαν θα είχε ξανασυσταλεί σε μια υπέρθερμη θάλασσα ακτινοβολίας. Επομένως, το γεγονός της ύπαρξής μας προϋποθέτει ότι το Σύμπαν διαστέλλεται περίπου με τον ρυθμό που μετράμε.

Τα κύρια στοιχεία που υποστηρίζουν την ορθότητα του γενικού πλαισίου της Θεωρίας της Μεγάλης Εκρηξης είναι: 1. Η διαστολή του Σύμπαντος, 2. Η ακτινοβολία μικροκυμάτων και 3. Η γένεση και τα ποσοστά των ελαφρών χημικών στοιχείων. 1.Η διαστολή του Σύμπαντος

Μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις που βοήθησαν στη θεμελίωση της σύγχρονης Κοσμολογίας είναι η διαστολή του Σύμπαντος. Πρώτος ο Hubble το 1929 ­ στηριζόμενος και σε παρατηρήσεις του Shlipher από το 1914 ­ χρησιμοποιώντας την ιδιότητα που έχουν όλα τα κύματα (φωτεινά ή ακουστικά) να αλλάζει το μήκος τους (να μεγαλώνουν ή να μικραίνουν) καθώς η πηγή που τα παράγει πλησιάζει ή απομακρύνεται από τον παρατηρητή (φαινόμενο Doppler), ανακάλυψε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από τη Γη. Επιπλέον βρήκε ότι η ταχύτητα της κίνησης αυτής των γαλαξιών είναι μεγαλύτερη όσο πιο μακριά βρίσκονται οι γαλαξίες από εμάς.

Παρ’ όλο που υπάρχουν και άλλες ερμηνείες των παρατηρήσεων, εκτός από την Doppler, δεν έχουν επαληθευθεί από τις μελέτες των επιστημόνων. Ανεξάρτητα πάντως από αυτό, η ερμηνεία Doppler συμβαδίζει απόλυτα με τις απαιτήσεις της ΓΘΣ για ένα μη στατικό Σύμπαν, πρόβλεψη που έγινε προτού καν παρατηρηθούν οι ερυθρές μεταθέσεις των γαλαξιών. Αυτό θεωρείται μια μεγάλη επιτυχία της ΓΘΣ. 2.Η ακτινοβολία μικροκυμάτων

Μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις του δεύτερου μισού του αιώνα μας, ανακάλυψη που ουσιαστικώς επιβεβαίωσε τη Θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης και η οποία έδωσε στους Penzias και Wilson το Βραβείο Νόμπελ για το 1965, είναι η ύπαρξη διάχυτης ακτινοβολίας μικροκυμάτων ως αποτέλεσμα της υπέρπυκνης και υπέρθερμης κατάστασης του πρώιμου Σύμπαντος. Σε αυτή την κατάσταση η ακτινοβολία και η ύλη ήταν συζευγμένες λόγω των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δρούσαν ως ανακλαστήρες της ακτινοβολίας και, επομένως, η τελευταία δεν μπορούσε ελεύθερα να διαχυθεί στο Σύμπαν, όπως συμβαίνει και με την πυκνή ομίχλη που δεν αφήνει το φως να τη διαπεράσει. Οταν η θερμοκρασία του Σύμπαντος έπεσε περίπου στους 3.000 βαθμούς Kelvin (300.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Εκρηξη), τα ηλεκτρόνια απορροφήθηκαν από τους πυρήνες και έτσι η ακτινοβολία απελευθερώθηκε. Η Θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης προβλέπει ότι λόγω της διαστολής του Σύμπαντος η θερμοκρασία της ακτινοβολίας αυτής ελαττώνεται και πρέπει να είναι σήμερα 2,7 βαθμοί Kelvin καθώς και ότι η ακτινοβολία αυτή πρέπει να είναι θερμικής προελεύσεως. Και οι δύο προβλέψεις επιβεβαιώθηκαν περίτρανα και μάλιστα με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια στις αρχές της δεκαετίας του ’90 από τα παρατηρησιακά δεδομένα του δορυφορικού παρατηρητηρίου COBE της NASA (http: //space. gsfc. nasa. gov/astro/cobe/). Ο δορυφόρος αυτός ουσιαστικά φωτογράφισε το Σύμπαν όταν είχε ηλικία μόλις το 2/100.000 της σημερινής ηλικίας του (βλέπε σχήμα 1).

Επιπλέον εφέτος, με τις ακριβείς μετρήσεις των διαταραχών θερμοκρασίας στην ακτινοβολία μικροκυμάτων, που έγιναν με το πείραμα BOOMERanG, το οποίο διεξήχθη στην Ανταρκτική πάνω σε αερόστατο, βρέθηκε ότι πράγματι ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος είναι πολύ κοντά σε αυτόν της κρίσιμης τιμής, γεγονός που υποδηλώνει ότι η Γεωμετρία του Σύμπαντος είναι η Ευκλείδεια. 3.Τα ελαφρά χημικά στοιχεία

Στην υπέρπυκνη και υπέρθερμη κατάσταση του πρώιμου Σύμπαντος τα πρωτόνια και νετρόνια, που είναι τα στοιχειώδη σωμάτια από τα οποία αποτελούνται οι πυρήνες των ατόμων όλων των στοιχείων της φύσης, μη όντας συζευγμένα σε άτομα, δημιούργησαν τους πυρήνες των ελαφρύτερων στοιχείων της ύλης (υδρογόνου, ηλίου, δευτερίου, λιθίου). Οι συγκεκριμένες αρχικές αναλογίες αυτών των στοιχείων εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες, μεταξύ των οποίων ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος (και επομένως ο ρυθμός ψύξης του), ο λόγος πρωτονίων – νετρονίων κ.ά. Η Θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης προβλέπει συγκεκριμένες αναλογίες των ελαφρών αυτών στοιχείων ­ μια πρόβλεψη που επίσης έχει επιβεβαιωθεί από τις παρατηρήσεις.

Ολοκληρώνοντας αυτή τη σύντομη παρουσίαση των βασικών στοιχείων της σύγχρονης Κοσμολογίας, επισημαίνω ότι, παρ’ όλο που γνωρίζουμε ίσως περισσότερα για την ιστορία του Σύμπαντος από ό,τι, παραδείγματος χάριν, για την πρώιμη ιστορία του ανθρώπου ή για τη λειτουργία του ανθρωπίνου νου, απέχουμε πολύ ακόμη από το να προβλέψουμε με ακρίβεια τη μελλοντική εξέλιξή του. Αναμένουμε ότι κατά την επόμενη δεκαετία, με τα διαστημικά πειράματα ΜΑΡ της NASA (http: //map.gsfc.nasa. gov/) και Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Εταιρείας (http://astro.estec.esa. nl/Planck/), θα δώσουμε οριστικές απαντήσεις στα κύρια κοσμολογικά ερωτήματα.


Τελικά τι εννοούμε όταν λέμε ότι το σύμπαν διαστέλλεται;

Μήπως σημαίνει ότι βρισκόμαστε στο κέντρο του Σύμπαντος; Κατηγορηματικά, όχι! Γνωρίζουμε ότι ο κάθε γαλαξίας απομακρύνεται από έναν άλλο με ταχύτητα ανάλογη της αποστάσεως που τους χωρίζει. Σκεφθείτε το λοιπόν ως εξής: Ευρισκόμενοι στον γαλαξία μας βλέπουμε όλους τους άλλους να απομακρύνονται. Αν μεταφερθούμε νοητά σε έναν άλλο γαλαξία, ας πούμε στον Μ100 του κοντινού μας σμήνους της Παρθένου, έτσι ώστε στο σύστημα αναφοράς του να βρισκόμαστε σε ηρεμία, θα διαπιστώσουμε ότι ο γαλαξίας μας θα απομακρύνεται από εμάς (που είμαστε τώρα στον Μ100) με την ίδια ταχύτητα που απομακρυνόταν ο Μ100 όταν εμείς βρισκόμασταν στον δικό μας γαλαξία (βλέπε σχήμα 3).


Ποιο είναι το μέλλον του Σύμπαντος;

Ανάλογα με το συνολικό ποσό της ύλης και της ενέργειας που περιέχει το Σύμπαν, θα έχει και διαφορετική εξέλιξη με την πάροδο του χρόνου.

* Μικρό ποσό υλο-ενέργειας σημαίνει ότι το Σύμπαν θα διαστέλλεται επ’ άπειρον (Ανοικτό Σύμπαν) και ότι η Γεωμετρία που το διέπει είναι υπερβολική (στις δύο διαστάσεις το ανάλογο σχήμα θα ήταν αυτό μιας σέλας αλόγου).

* Μεγάλο ποσό υλο-ενέργειας σημαίνει ότι το Σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα (Κλειστό Σύμπαν) και η Γεωμετρία που το διέπει είναι σφαιρική.

* Κρίσιμο ποσό (το σύνορο μεταξύ των δύο παραπάνω). Η Γεωμετρία σε αυτή την περίπτωση είναι η Ευκλείδεια (Επίπεδο Σύμπαν).

Ο κ. Μανώλης Πλειώνης είναι ερευνητής στο Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών.