3. ΚΟΣΜΟγονία

3.    ΚΟΣΜΟΓΟΝΙΑ

3.1. Το μοντέλο του στατικού σύμπαντος

Ο Νεύτωνας, αρχικά, θεώρησε ότι το σύμπαν πρέπει να είναι στατικό, αλλά επειδή θα ήταν ασταθές λόγω της βαρύτητας και με την παραμικρή διαταραχή θα κατέρρεε συγκλίνοντας αναγκαστικά προς το κέντρο του, θα πρέπει να είναι ομοιόμορφο και όχι πεπερασμένο αλλά άπειρο, ώστε να μην υπάρχει καμιά συγκεκριμένη κεντρική θέση προς την οποία να καταρρεύσει.

Ο Αϊνστάιν, επίσης, θεώρησε γενικά ότι το σύμπαν είναι στατικό αλλά και ομοιόμορφο (για την ακρίβεια ομογενές και ισότροπο), αλλά επειδή οι εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας δεν επέτρεπαν στο σύμπαν να είναι στατικό, εφεύρε μια νέα δύναμη άπωσης, την δύναμη λ, ως μια παγκόσμια σταθερά που εξισορροπεί την έλξη που ασκεί η ιδιοβαρύτητα του σύμπαντος. Έτσι, το σύμπαν παραμένει στατικό, αλλά γίνεται πεπερασμένο και ταυτόχρονα απεριόριστο, όπως π.χ. η επιφάνεια μιας υπερσφαίρας.

3.2. Το μοντέλο του διαστελλόμενου σύμπαντος

Το απλούστερο υποθετικό σώμα που εκπέμπει ακτινοβολία λέγεται μέλαν σώμα (βλ. και κεφ. 1.7), καθώς απορροφά το σύνολο της ακτινοβολίας που δέχεται χωρίς να αντανακλά κανένα μέρος της, αλλά λόγω της θερμότητάς του από την διαρκή κίνηση των σωματιδίων του αναγκάζεται να εκπέμπει ακτινοβολία από μόνο του, την λεγόμενη θερμική ακτινοβολία ή ακτινοβολία μελανού  σώματος. Κατ’ αυτόν τον τρόπο οι αστέρες, λόγω των πυρηνικών αντιδράσεων στους πυρήνες τους, εκπέμπουν ορατό φως και άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ανάλογα με την θερμοκρασία τους.

Χάρη στην εργασία της Αμερικανίδας αστρονόμου Λίβιτ έγινε σε μια καθοριστική ανακάλυψη: ότι μια συστάδα αστέρων, οι Κηφείδες, είχαν μια αποκαλυπτική ιδιότητα, η λαμπρότητά τους μεταβάλλεται προβλέψιμα και ανάλογα με το μέγεθός τους. Έτσι, μετρήθηκαν οι αποστάσεις τους με απόλυτη ακρίβεια και με βάση αυτούς αποκτήσαμε μια αξιόπιστη ένδειξη για την μέτρηση των αποστάσεων των άλλων αστέρων και γαλαξιών καθώς και για τις πραγματικές διαστάσεις του σύμπαντος.

Παράλληλα, οι μοναδικές λύσεις για τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, όσον αφορά στην καμπύλωση του χωρόχρονου, ήταν σφαιρικά συμμετρικές και οδηγούσαν σε τρία είδη επίλυσης για μια σφαίρα που: α) με την πάροδο του χρόνου συστέλλεται ή β) διατηρεί το μέγεθός της ή γ) με την πάροδο του χρόνου διαστέλλεται.

Ο Αμερικανός αστρονόμος Χαμπλ δημοσίευσε το 1929 μια μελέτη, όπου αποδείκνυε ότι το σύμπαν είναι δυναμικό, επειδή οι συστηματικές μελέτες του στο φάσμα του φωτός που προέρχεται από γαλαξίες έδειξαν μια μετατόπισή του προς το ερυθρό. Ανακάλυψε ότι όσο πιο αμυδρός ήταν ένας γαλαξίας (άρα και πιο μακρινός από το ηλιακό μας σύστημα) τόσο πιο μεγάλη ήταν αυτή η μετατόπιση. Επειδή, όμως, οι εικόνες των γαλαξιών δεν παρουσιάζουν κανένα θόλωμα, κάτι που θα ήταν λογικό εάν το φως τους έχανε ενέργεια καθώς θα προσέκρουε σε άτομα ενδιάμεσης ύλης, π.χ. σκόνης ή αερίου, η μόνη λύση για την παρατηρούμενη μετατόπιση είναι η μετατόπιση που οφείλεται στο φαινόμενο Doppler. Η μετατόπιση του φάσματος Doppler και επομένως ο γαλαξίας, που βρίσκεται σε απόσταση D από εμάς, απομακρύνεται με ταχύτητα cz σύμφωνα με την σχέση, γνωστή ως νόμο του Hubble:

cz = H * D

(όπου Η είναι η λεγόμενη σταθερά Hubble).

Αυτή η παρατηρούμενη ταχύτατη απομάκρυνση των γαλαξιών αποδεικνύει ότι το σύμπαν δεν είναι στατικό αλλά διαστελλόμενο. Η διαστολή του σχηματικά γίνεται, όπως π.χ. το φούσκωμα ενός κέικ που περιέχει σταφίδες, οι οποίες απομακρύνονται μεταξύ τους καθώς μεγαλώνει το διάστημα ανάμεσά τους. Ένα τέτοιο σύμπαν μη στατικό, πριν ακόμα δημοσιεύσει την εργασία του ο Χαμπλ, είχε προβλέψει θεωρητικά ο Ρώσος φυσικός Φρήντμαν το 1924, στο οποίο απέρριπτε την σταθερά λ του Αϊνστάιν, σε μια εποχή μάλιστα που η ιδέα ενός μη στατικού μοντέλου του σύμπαντος φαινόταν παράλογη ή απαράδεκτη.

Αν, τώρα, διαιρέσουμε την απόσταση μεταξύ των γαλαξιών με την ταχύτητα απομάκρυνσής τους, βρίσκουμε τον χρόνο έναρξης της διαστολής του σύμπαντος, ο οποίος αντιστοιχεί σε 12 ή 13 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. Σχετικά με το σύμπαν, όμως, δεν είμαστε πια πεπεισμένοι ότι πρόκειται για σφαίρα αλλά είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι διαστέλλεται. Αντιστρέφοντας την ροή του χρόνου, όπως σε μια κινηματογραφική ταινία, ολόκληρο το σύμπαν συρρικνώνεται σε ένα σημείο και εξαφανίζεται, ενώ επαναφέροντας την κανονική ροή του χρόνου, συμπεραίνουμε ότι δημιουργήθηκε από το τίποτα, σαν να ήταν ένα απλό σημείο που διεστάλη με τρομακτική ταχύτητα και το δημιούργησε.

3.3. Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης

Ποιο είναι, όμως, το αίτιο αυτής της διαστολής; Είναι αυτό που αποκαλούμε σήμερα Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), η οποία προκλήθηκε από μια μυστηριώδη μοναδικότητα που έμοιαζε με αυτήν που κρύβει μια μαύρη οπή. Αν το σύμπαν διαστέλλεται αλλά την ίδια στιγμή καταλαμβάνει όλο τον υπαρκτό χώρο, τότε σε τι είδους «περιβάλλον» πραγματοποιείται η διαστολή αυτή; Τι υπάρχει πέρα από την άκρη του σύμπαντος;

Η Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι ίδια με την έκρηξη ενός σουπερνόβα, αλλά αποτελεί ένα τέντωμα του ίδιου του χώρου, με την ύλη να είναι εμβαπτισμένη στο εσωτερικό του και να μεταφέρεται από αυτόν. Δεν υπάρχει άκρη σε αυτό το σύμπαν, καθώς η Μ. Έκρηξη συνέβη παντού επάνω στην επιφάνεια ταυτοχρόνως και το άπλωμα έλαβε χώρα σε ολόκληρη την επιφάνεια.

Αν, όμως, το σύμπαν είναι σήμερα άπειρο, τότε θα πρέπει επίσης να ήταν άπειρο και στο παρελθόν, δηλαδή άπειρο σε μέγεθος κατά την στιγμή της Μ. Έκρηξης. Όμως, την στιγμή αυτή ο χώρος ήταν εξ ορισμού συρρικνωμένος σε ένα σημείο μηδενικού μεγέθους. Αλλά, επειδή ένα ανοικτό σύμπαν δεν μπορεί να έχει μηδενικό μέγεθος, η μόνη λύση είναι η Μ. Έκρηξη να συνέβη παντού ταυτόχρονα σε ένα άπειρο σύμπαν, ενώ σε ένα οποιοδήποτε σημείο του και η πυκνότητα θα ήταν επίσης άπειρη.

Είναι σημαντικό, αν όχι δύσκολο, να κατανοήσουμε ότι αυτό που διεστάλη δεν ήταν κάποιο είδος φυσαλίδας γεμάτο με χρόνο και ύλη σε έναν περιβάλλοντα χώρο. Η φυσαλίδα ήταν ο χώρος, ενώ ο χρόνος απλώς δεν κυλούσε πριν από την Μεγάλη Έκρηξη, γιατί αυτή έθεσε σε λειτουργία τον χρόνο, αφού ουσιαστικά η λέξη «πριν» δεν εφαρμόζεται εδώ, επειδή δεν υπήρχε το πριν.

3.4. Η σημερινή εικόνα του σύμπαντος προέρχεται… από το μακρινό παρελθόν του

Υπάρχει ένας χαρακτηριστικός συντελεστής κλίμακας του διαστελλόμενου σύμπαντος S, ώστε η σχετική γραμμική απομάκρυνση μεταξύ δύο τυπικών γαλαξιών να αλλάζει σε αναλογία με αυτόν. Οι τιμές S = 0 και t = 0  εκφράζουν την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης, είναι η στιγμή της δημιουργίας κατά την οποία όλη η ύλη του σύμπαντος είναι συμπιεσμένη σε μηδενικό όγκο. Κάθε πεπερασμένο κομμάτι του είναι σαν μια λευκή οπή που εκρήγνυται μέσα από ένα σημείο του χώρου (με αυτό το σκεπτικό οι λευκές οπές θα μπορούσαν να ιδωθούν ως ετεροχρονισμένες, καθυστερημένες, εκρήξεις που έγιναν μετά την χρονική στιγμή t = 0).

Όταν παρατηρούμε το σύμπαν, δεν το βλέπουμε όπως είναι σήμερα αλλά όπως ήταν τότε, στο μακρινό παρελθόν, λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός. Επειδή το σύμπαν διαστέλλεται από την αρχή του (t = 0) μέχρι σήμερα, ο παράγοντας κλίμακας S είναι μεγαλύτερος τώρα απ’ ό,τι ήταν παλαιότερα. Όσο, όμως, μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση του φάσματος προς το ερυθρό τόσο μικρότερος είναι ο παράγοντας κλίμακας την χρονική στιγμή που το φως έφυγε από το παρατηρούμενο σώμα. Επομένως, η εποχή της μεγάλης Έκρηξης t = 0 αντιστοιχεί στην εποχή της άπειρης μετατόπισης προς το ερυθρό (οπότε και ο παράγοντας κλίμακας ήταν S = 0).

Κοιτάμε, επομένως, τον ουρανό και βλέπουμε όχι το παρόν αλλά την ιστορία του, χάρη στην πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός. Είναι σαν να παρατηρείς την Αθήνα από τον Λυκαβηττό και να βλέπεις ταυτόχρονα κάθε γειτονιά όπως ήταν σε διαφορετικές χρονικές περιόδους: το Κολωνάκι του 1960, το Μοναστηράκι του 1920, τα Πετράλωνα του 1821, την Καλλιθέα του 1453, το Φάληρο στην εποχή του Περικλή, τον Πειραιά στην εποχή των σπηλαίων…

3.5. Το διαστελλόμενο σύμπαν είναι κλειστό ή ανοικτό;

Αν δεν υπήρχε η βαρύτητα, οι ταχύτητες απομάκρυνσης των γαλαξιών θα έμεναν σταθερές. Η βαρύτητα, όμως, του διαστελλόμενου σύμπαντος θεωρούμε ότι κάνει αισθητά τα αποτελέσματά της επιβραδύνοντας αυτή την απομάκρυνση. Επομένως, υποθέτουμε ότι το σύμπαν θα είναι:

α) κλειστό, αν οι ταχύτητες απομάκρυνσης είναι μικρότερες από την ταχύτητα διαφυγής, οπότε το σύμπαν θα σταματήσει κάποτε να διαστέλλεται και στην συνέχεια θα επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση συστελλόμενο ή

β) ανοικτό, αν οι ταχύτητες απομάκρυνσης είναι μεγαλύτερες από την ταχύτητα διαφυγής, οπότε θα διαστέλλεται για πάντα, έστω και με επιβραδυνόμενη ταχύτητα.

3.6. Η κρίσιμη πυκνότητα ύλης – η μέση πυκνότητα της ορατής ύλης

Παράλληλα, όσο μεγαλώνει η πυκνότητα της ύλης στο σύμπαν άλλο τόσο αυξάνεται η επίδραση της βαρύτητας στην επιβράδυνση της διαστολής του. Έτσι, υπάρχει μια κρίσιμη πυκνότητα ύλης ρ_c που καθορίζει αν το σύμπαν είναι κλειστό ή ανοικτό:  

ρc = _3 * H2 __          8 * π * G

Αν η πραγματική πυκνότητα του σύμπαντος είναι ίση ή μικρότερη από την ρc,   τότε το σύμπαν είναι ανοικτό.

Η ποσότητα 1/Η έχει διάσταση χρόνου και αντιπροσωπεύει το ανώτατο όριο της ηλικίας του σύμπαντος που κυμαίνεται ανάμεσα στα 10 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Τότε με βάση το χαμηλότερο και το υψηλότερο άκρο αυτού του διαστήματος λαμβάνουμε δύο τιμές για την ρ_c που διαφέρουν κατά 4 φορές η μια από την άλλη. Αλλά και στις δύο περιπτώσεις, επειδή η μέση πυκνότητα ρ της ορατής ύλης στο σύμπαν είναι σύμφωνα με τους αστρονόμους περίπου 5 άτομα υδρογόνου ανά cm³, έχουμε ρ < ρ_c και επομένως ένα σύμπαν ανοικτό. (Η μέση πυκνότητα της ορατής ύλης στο σύμπαν υπολογίζεται στο 1/4 της κρίσιμης πυκνότητας).

Εντούτοις το πρόβλημα δεν είναι τόσο απλό, γιατί αν υπάρχει σε μεγάλη ποσότητα στο σύμπαν μη ορατή ύλη ή αλλιώς «κρυμμένη» ή «σκοτεινή» ύλη, π.χ. διαγαλαξιακό αέριο ουδέτερου υδρογόνου, και η τιμή του ρ γίνει τελικά αρκετά μεγάλη, τότε το σύμπαν πρέπει να είναι κλειστό.

3.7. Το διαστελλόμενο σύμπαν πιστεύεται τελικά ότι είναι… επίπεδο

Όλως περιέργως οι κοσμολόγοι σήμερα, λόγω συγκεκριμένων παρατηρήσεων, πιστεύουν ότι η πυκνότητα της ύλης ισορροπεί… ακριβώς στην κρίσιμη τιμή, με μια ισορροπία στην κόψη του ξυραφιού μεταξύ ενός σύμπαντος που κάποτε θα καταρρεύσει και ενός που θα διαστέλλεται αιώνια με σταθερό ρυθμό. Εντούτοις, όμως, η πυκνότητα της ύλης θα ήταν τέτοια ώστε η βαρύτητά της θα επιβράδυνε σταθερά τον ρυθμό διαστολής μέχρις ότου το σύμπαν θα σταματούσε να διαστέλλεται. Κάτι τέτοιο, βέβαια, θα διαρκούσε αιωνίως κι έτσι ουσιαστικά δεν θα υπήρχε κατάρρευση. Αυτό, όμως, αναφέρεται σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν επίπεδο, ούτε ανοικτό ούτε κλειστό, σενάριο που φαίνεται τόσο απίθανο για να είναι δυνατό.

Το σύμπαν, πάντως, δεν μοιάζει τόσο ηλικιωμένο, ώστε να έχει διασταλεί μέχρι ένα τόσο μεγάλο μέγεθος που να φαίνεται εντελώς επίπεδο, όπως π.χ. φαίνεται σε ένα τμήμα της η επιφάνεια της γης παρά το ότι αυτή είναι στην πραγματικότητα καμπυλωμένη. Όμως, εάν παρατηρήσουμε το σχήμα στο υπόβαθρο του σημερινού σύμπαντος, θα διαπιστώσουμε ότι έχει εντυπωσιακά μικρή καμπυλότητα. Από βαρυτική άποψη θα λέγαμε ότι το σύμπαν είναι σαν μια έρημος, όχι όμως καμπυλωμένη σαν σφαίρα ή τυλιγμένη γύρω από έναν δακτυλίδι, αλλά επίπεδη και είναι στιγματισμένη από λοφίσκους και βουναλάκια, τα οποία αποτελούν τις συγκεντρώσεις της ύλης, όπως τα σμήνη και τους γαλαξίες.

3.8. Η νέα θεωρία του Πληθωρισμού ως επέκταση της θεωρίας της Μ. Έκρηξης

Το πρόβλημα αυτό του επίπεδου σύμπαντος έχει σήμερα επιλυθεί με μια νέα θεωρία, την θεωρία του Πληθωρισμού, ως εξής: Θεωρούμε ότι το σύμπαν σε ηλικία μόνον ενός κλάσματος του δευτερολέπτου υπέστη μια πολύ μικρή περίοδο ραγδαίας διαστολής, που ονομάζεται Πληθωρισμός, κατά την οποία μεγάλωσε κατά ένα τρις τρις τρις τρισεκατομμύρια φορές, δηλ. 10⁴⁸, από το μέγεθος που είχε πριν. Το σύμπαν, λοιπόν, είχε συστραφεί, σαν σφιχτή μπούκλα, πριν από την περίοδο του Πληθωρισμού, ενώ λίγο μετά μεγάλωσε σε τέτοιο μέγεθος, ώστε ποτέ δεν θα μπορούμε να διακρίνουμε οποιαδήποτε καμπυλότητα, όσο μακριά κι αν κοιτάξουμε στο διάστημα.

Η θεωρία του Πληθωρισμού, λοιπόν, αποτελεί την πιο σημαντική επέκταση του μοντέλου της Μ. Έκρηξης. Η πλάστιγγα έκλινε οριστικά γι’ αυτήν από το 1966, καθώς φαίνεται ότι λύνει το δύσκολο αίνιγμα από πού προήλθαν η ύλη και η ενέργεια και με ποιο μηχανισμό δημιουργήθηκαν τα πάντα: από το τίποτα και με την σκοτεινή ενέργεια του κβαντικού κενού, την κοσμική αντιβαρύτητα (επανήλθε έτσι στο προσκήνιο η κοσμολογική σταθερά λ του Αϊνστάιν, βλ. κεφ. 3.1, 3.11). Στην ερώτηση, λοιπόν, γιατί να υπάρχει ο κόσμος και όχι το τίποτα, μπορούμε πλέον να απαντήσουμε ότι το απόλυτο τίποτα ίσως να είναι λιγότερο οικονομικό από το απειροελάχιστο κάτι… Ενδεχομένως, συμφέρει το κβαντικό κενό, για να διατηρήσει την ισορροπία του, να κάνει μικρά συν και πλην, σωματίδια και αντισωματίδια, από το να μένει πάντα ακριβώς πάνω στο μηδέν. Το μόνο που ξεφεύγει ακόμα από τους επιστήμονες είναι το πρώτο απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά την αρχή του χρόνου, αν και γνωρίζουν τι γινόταν πάνω κάτω πριν από το κοσμικό ξεκίνημα.

Ο Αμερικανός Άλαν Γκουθ, ιδρυτής αυτής της θεωρίας, και ο Ρώσος Αντρέι Λίντε υπολόγισαν ότι ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά το χρόνο μηδέν έδρασε μια απωθητική δύναμη, κάτω από την επιρροή της οποίας το σύμπαν αυξήθηκε πολύ απότομα και αφού έφθασε σε μέγεθος πορτοκαλιού, τότε μόνο εισήλθε στη φάση της γνωστής βαθμιαίας διαστολής που προτείνει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Η θεωρία αυτή αναπτύχθηκε, ανεξάρτητα από τον Γκουθ, και από τους Δημοσθένη Καζάνα, Άλμπρεχτ και Στάιναρντ.

Η θεωρία του Πληθωρισμού προσέφερε το φυσικό μηχανισμό άντλησης ενέργειας από την απεριόριστη αποθήκη ενέργειας του βαρυτικού πεδίου, την ανάποδη πίεση που αντιστέκεται στην δράση της αρνητικά προσημασμένης βαρύτητας. Με την αντίδραση της κοσμικής απώθησης εξισορροπείται η αρνητική συνιστώσα και μένει η συνολική ενέργεια στο μηδέν, η τέλεια μηχανή, κοσμικό καύσιμο από το τίποτα. Επίσης, αποκάλυψε ότι ολόκληρο το σύμπαν μπορεί να δημιουργηθεί από μια απειροελάχιστη ποσότητα ύλης, χωρίς να απαιτεί να προϋπάρχει ήδη σε κάποια μορφή το σύνολο της ύλης.

Αυτό το πληθωριστικό μοντέλο του σύμπαντος απαιτεί η μέση πυκνότητα ρ να βρίσκεται πολύ κοντά στην κρίσιμη τιμή που θα το καθιστούσε επίπεδο: αν το σύμπαν είναι επίπεδο, τότε ρ = 1, αν είναι κλειστό με θετική καμπυλότητα, τότε ρ > 1, ενώ αν είναι ανοικτό με αρνητική καμπυλότητα, τότε ρ < 1. Δεν γνωρίζουμε αν πράγματι συνέβη αυτός ο ταχύτατος Πληθωρισμός, γιατί η διαφορά ανάμεσα στο ναι και στο όχι είναι ελάχιστη.

Ο Λίντε, μάλιστα, προχώρησε ακόμη περισσότερο, υποστηρίζοντας την ύπαρξη ενός μετασύμπαντος, που περιέχει πολλά άλλα διαφορετικών διαστάσεων σύμπαντα-φυσαλίδες στον χωρόχρονο. Είναι ο ιδρυτής του χαοτικού Πληθωρισμού, σύμφωνα με τον οποίο το δικό μας σύμπαν ξεκίνησε ως ένα μπαλόνι που φούσκωσε και πετάχθηκε έξω από ένα προϋπάρχον μητρικό σύμπαν, το οποίο ήταν χαοτικό και περιείχε εν δυνάμει όλες τις πιθανές βασικές παραμέτρους των φυσικών νόμων. Η υπόθεση αυτή καταργεί την αναγκαιότητα της καυτής αρχικής κατάστασης, επεκτείνοντας δραστικά την θεωρία του Πληθωρισμού σε σημείο μάλιστα που να απειλεί και την ίδια την έννοια της Μεγάλης Έκρηξης: βρισκόμαστε σε μια «φυσαλίδα» χαμηλής ενέργειας, σε έναν πολυχώρο με άλλες φυσαλίδες-σύμπαντα που γεννούν η μια την άλλη με μεγάλες εκρήξεις και πληθωριστικές φάσεις. Έτσι καταργείται και η απαίτηση για επιπεδότητα, καθώς επιτρέπεται η παράδοξη έννοια ενός απείρου ανοικτού σύμπαντος που βρίσκεται στο εσωτερικό μιας «φυσαλίδας» πεπερασμένου όγκου που αιωρείται μέσα σε κάποιον εξωτερικό χώρο…

3.9. Η σκοτεινή ύλη σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν επίπεδο

Για ένα διαστελλόμενο σύμπαν επίπεδο η πυκνότητα της ορατής ύλης φαίνεται να αντιστοιχεί μόνο στο 5% της κρίσιμης τιμής, ενώ το υπόλοιπο 95% θεωρείται αόρατη, «σκοτεινή» ύλη. Οι γαλαξίες φαίνεται ότι ζυγίζουν πολύ περισσότερο από το άθροισμα των αστέρων τους. Επομένως, πρέπει να αποτελούνται και από ένα νέφος αόρατου υλικού που εκτείνεται πέρα από τους ορατούς αστέρες. Αυτό εξηγεί το:

α) γιατί οι εξωτερικοί τους αστέρες, σε σύγκριση με τους εσωτερικούς, περιφέρονται πιο γρήγορα απ’ όσο τους υπαγορεύει η εμφανής και προβλεπόμενη βαρύτητα του περιστρεφόμενου γαλαξία τους, φαινόμενο αδιανόητο για μας,

β) γιατί έχουν πολύ περισσότερη ύλη απ’ ό,τι φαίνεται με απευθείας μέτρηση του βάρους τους (μέσω της εκτροπής που προκαλούν με το βαρυτικό τους πεδίο στο φως ενός απομεμακρυσμένου γαλαξία).

Το συντριπτικό ποσοστό του 95% από την αναμενόμενη μάζα του σύμπαντος είναι κυριολεκτικά άφαντο και το αντιλαμβανόμαστε μόνο από τα βαρυτικά αποτελέσματά του πάνω στα υπόλοιπα κοσμικά αντικείμενα. Αυτή η αόρατη, σκοτεινή ύλη, στο διάστημα ανάμεσα στους φωτεινούς αστέρες μπορεί να έχει την εξής σύσταση: α) μεγάλα σκοτεινά κοσμικά αντικείμενα από πρωτόνια και νετρόνια, όπως οι λευκοί νάνοι και οι μαύρες τρύπες ή β) μικρά και γρήγορα, εξωτικά, υποθετικά σωματίδια.

Φάνηκε γρήγορα, όμως, ότι αυτή η σκοτεινή ύλη δεν αρκεί να αποτελείται μόνο από αντικείμενα MACHO, δηλαδή νεκρούς αστέρες, μαύρες οπές, πλανήτες, όγκους βράχων κλπ., αλλά πρέπει να περιέχει και μια νέα ουσία. Η ουσία αυτή, σύμφωνα με πειράματα που έγιναν το 1998 στην Ιαπωνία είναι τα νετρίνα (βλ. κεφ. 3.16), τα οποία αποδείχθηκε έχουν μια πολύ μικρή μάζα. Αν και είναι τεράστιος ο αριθμός τους, καθώς π.χ. υπάρχουν κατά μέσο όρο αρκετές εκατοντάδες νετρίνων μέσα σε όγκο μεγέθους μιας δακτυλήθρας, δεν αρκεί τελικά παρά για να ερμηνευθεί μόνο το 20% από το σύνολο της αόρατης ύλης.

Όμως, ακόμα και αν συνυπολογίσουμε το σύνολο της ορατής και της αόρατης ύλης με όλα τα νετρίνα της, δεν μπορούμε να ερμηνεύσουμε όλη την μάζα που φαίνεται ότι διαθέτουν οι γαλαξίες. Τα νετρίνα μπορεί να αποτελούν αυτό που αποκαλούν θερμή σκοτεινή ύλη λόγω της μεγάλης τους ταχύτητας. Είμαστε πλέον πεπεισμένοι ότι πρέπει να υπάρχει ακόμα περισσότερη αόρατη ύλη, πιθανόν με την μορφή βαρέων σωματιδίων μικρής ταχύτητας και που αποτελούν την ψυχρή σκοτεινή ύλη. Επομένως, οι τελευταίες εκτιμήσεις ερμηνεύουν μόνο το 1/4 (κατ’ άλλους το 1/3) της μέσης πυκνότητας που απαιτείται για να γίνει ρ = 1 και το σύμπαν επίπεδο. Με αυτά τα δεδομένα φαίνεται, λοιπόν, ότι το ρ είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρότερο από την μονάδα και το σύμπαν μη επίπεδο.

3.10. Η επιτάχυνση… της διαστολής του σύμπαντος – η επιβράδυνση… της ταχύτητας του φωτός

Χάρη στο διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ, που εκτοξεύθηκε το 1990, υποθέσαμε την ύπαρξη γιγαντιαίων μαύρων οπών στα κέντρα των γαλαξιών, είδαμε 12 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, μετρήσαμε 120 δισεκατομμύρια διαφορετικούς γαλαξίες, αλλά και παρατηρήσαμε από κοντά υπερκαινοφανείς αστέρες που μας αποκάλυψαν πρόσφατα κάτι αναπάντεχα εκπληκτικό την… επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος.

Για την μέτρηση της διαστολής του σύμπαντος σημαντική ήταν, το 1998, η ανακάλυψη της έκρηξης ενός υπερκαινοφανή αστέρα τύπου Ia (το αποτέλεσμα της ολοκληρωτικής καταστροφής ενός αστέρα σε ένα διπλό σύστημα αφού αποκτήσει μια κρίσιμη μάζα καταπίνοντας ύλη από τον συνοδό του). Αυτοί οι σουπερνόβα ακτινοβολούν όλοι με συγκεκριμένη λαμπρότητα, φθάνουν στο ζενίθ και πεθαίνουν σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Επειδή, όμως, όταν βρίσκονται σε έναν απομακρυσμένο γαλαξία, η έκρηξή τους είναι απίστευτα αμυδρή, λιγότερο απ’ όσο θα έπρεπε λόγω της απόστασης, τότε είναι πιθανόν να βρίσκονται πιο μακριά απ’ όσο νομίζουμε. Άρα, απομακρύνονται από εμάς με μεγαλύτερη ταχύτητα από όση δείχνει η μετατόπιση του φωτός τους προς το ερυθρό. Αυτή η μικρότερη από το αναμενόμενο μετατόπιση υποδεικνύει ένα βραδύτερο ρυθμό διαστολής στο παρελθόν του σύμπαντος! Επομένως, η διαστολή του σύμπαντος αντί να επιβραδύνεται, …επιταχύνεται!

Επιπλέον, το 2002 ο ερευνητής Ντέιβις, αναλύοντας το φως εξαιρετικά μακρινών αστεριών, ανακάλυψε ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό δεν είναι σταθερή και ότι πρέπει να έτρεχε γρηγορότερα πριν από μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, γεγονός που συνεπάγεται την μεταβολή των φυσικών σταθερών με την πορεία εξέλιξης του σύμπαντος…

3.11. Η αντιβαρύτητα και η επανεξέταση της κοσμολογικής σταθεράς λ

Όταν αρχικά υπολογίσθηκαν τα ανώτατα όρια στην τιμή της κοσμολογικής σταθεράς λ (βλ. κεφ. 3.1), αυτά ήταν τελικά τόσο χαμηλά, ώστε πολλοί κοσμολόγοι συμφώνησαν ότι ήταν λογικό να την αφαιρέσουν από τις εξισώσεις, όπως είχε κάνει και ο Αινστάιν. Ήλθαν και παρήλθαν διάφοροι λόγοι για την ύπαρξή της και τελικά σήμερα μέσω της θεωρίας του Πληθωρισμού διαθέτουμε έναν καλό λόγο να πιστεύουμε ότι η τιμή της δεν είναι μηδέν.

Η περίφημη κρίσιμη πυκνότητα ρ_c δεν είναι και τόσο μεγάλη, καθώς θα αρκούσαν κατά μέσο όρο 5 άτομα υδρογόνου ανά cm³ του σύμπαντος για να την καλύψουν, αλλά δεν υπάρχει τελικά τόσο πολλή ύλη στο σύμπαν, αφού οι μετρήσεις για την μέση πυκνότητα ρ δείχνουν περίπου το 1/4 (κατ’ άλλους το 1/3) της κρίσιμης. Πρόκειται για μια πολύ εύθραυστη ισορροπία, σαν να ισορροπούσε ένα μολύβι στην μύτη του, καθώς με την εξέλιξη του σύμπαντος ο λόγος αυτός της μέσης πυκνότητας πολύ εύκολα θα έπεφτε γρήγορα στο μηδέν, αντί να παραμείνει στο 0,25. Έτσι, για το υπόλοιπο 0,75 που απαιτείται για να φθάσει ο λόγος στην μονάδα και να οδηγηθούμε σε ένα επίπεδο σύμπαν, πρέπει να υπάρχει κάποιος πολύ σημαντικός παράγοντας ο οποίος μας διαφεύγει.

Παρατηρώντας, λοιπόν, τους υπερκαινοφανείς αστέρες οι επιστήμονες ανακάλυψαν έκπληκτοι ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Έτσι, επανήλθε στο προσκήνιο η κοσμολογική σταθερά λ της αντιβαρύτητας, ενώ η πιο λογική εξήγηση, σύμφωνα με την θεωρία του Πληθωρισμού, θεωρείται ότι είναι η σκοτεινή ενέργεια, η κοσμική απώθηση, που πυροδότησε την δημιουργία της ύλης κατά την Μ. Έκρηξη, ενώ εξακολουθεί να υπάρχει σε μια άλλη μορφή και κατάσταση. Αρχικά, λοιπόν, η βαρύτητα ήταν πολύ ισχυρή και η διαστολή όντως επιβραδυνόταν, αλλά κατόπιν καθώς απομακρύνονταν τα σμήνη των γαλαξιών, η σκοτεινή ενέργεια του κενού, είτε ως ενεργειακό φάντασμα για μας είτε ως εγγενής ιδιότητα του κενού, δυνάμωσε και επιτάχυνε την διαστολή του σύμπαντος.

Αν πράγματι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, τότε θα πρέπει η διαστολή αυτή να καθοδηγείται από μια δύναμη αντιβαρύτητας, η οποία  ωθεί τους γαλαξίες στην μεταξύ τους απομάκρυνση και απλώνει τον χώρο. Ενώ η βαρύτητα γίνεται με την απόσταση ασθενέστερη, όμως η αντιβαρύτητα αυξάνεται με την απόσταση και έτσι η διαστολή του σύμπαντος γίνεται ακόμα ταχύτερη.

Στην περίπτωση αυτή η κοσμολογική σταθερά λ δεν πρέπει να είναι ίση με το μηδέν, αλλά δημιουργείται το εύλογο ερώτημα από πού θα πρέπει να προέρχεται αυτή η δύναμη; Θα πρέπει να οφείλεται σε κάποια περίεργη νέα μορφή αόρατης ενέργειας (π.χ. κβαντικές διακυμάνσεις, μεταβολές φάσης, τοπολογικές ατέλειες, πεμπτουσία), που βρίσκεται διάχυτη σε όλο τον χώρο με την παράδοξη επίδραση να προωθεί την διαστολή του χώρου, ενώ την ίδια στιγμή συνεισφέρει και στο κλείσιμο του σύμπαντος στον εαυτό του. Η ενέργεια αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει ώστε να ανακτηθεί η χαμένη ποσότητα του ρ και να γίνει ίση με την μονάδα. Αν και στην πραγματικότητα  το ρ μπορεί ακόμη και να είναι λίγο μεγαλύτερο από την μονάδα, καθιστώντας το σύμπαν κλειστό, που εντούτοις θα μπορούσε να διαστέλλεται για πάντα.

Μέσα από αυτή την λογική αλλάζει πλέον ριζικά το μοντέλο του διαστελλόμενου σύμπαντος και απομακρύνεται από το απλό μοντέλο του Φρήμαν, γιατί με αυτές τις συνθήκες το σχήμα του σύμπαντος και η μοίρα του δεν είναι πια συνδεδεμένα.

3.12. Το φωτομετρικό παράδοξο – ο φαινόμενος ορίζοντας

Με την θεωρία του διαστελλόμενου σύμπαντος λύθηκε το πρόβλημα που ονομαζόταν φωτομετρικό παράδοξο ή παράδοξο του Όλμπερς: εφόσον σε ένα άπειρο σύμπαν γεμάτο αστέρες μια φωτεινή ακτίνα θα συναντήσει αναπόφευκτα την φωτεινή επιφάνεια ενός αστέρα, συνεπώς όλος ο νυκτερινός ουρανός θα έπρεπε να λάμπει από την φωτεινότητα του Ηλίου και όλων των άλλων αστέρων. Και, επιπλέον, η συνολική ενέργεια από αυτό το φως όλων των αστέρων θα έπρεπε να είναι τόσο έντονη, ώστε να κατέκαιε ολοκληρικά την Γη.

Η λύση στο ανωτέρω πρόβλημα, που πρώτος διατύπωσε ο Γερμανός αστρονόμος Όλμπερς, ήταν αυτό που αποκλήθηκε φαινόμενος ορίζοντας: εφόσον η ηλικία του σύμπαντος είναι γύρω στα 13,4 δισεκατομμύρια χρόνια, καμιά φωτεινή πηγή δεν εκπέμπει φως για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από αυτό. Άρα, το φως διαδίδεται σε μια πεπερασμένη απόσταση, ενώ τα σημεία που βρίσκονται σε αυτή την απόσταση σχηματίζουν τον λεγόμενο φαινόμενο ορίζοντα και επομένως οι πιο μακρινές περιοχές είναι εξ ορισμού αόρατες σε εμάς. Συνεπώς, μπορούμε να παρατηρήσουμε μόνο έναν περιορισμένο αριθμό αστέρων και γαλαξιών, δηλαδή ένα περιορισμένο κομμάτι του πραγματικού σύμπαντος, το οποίο κομμάτι σήμερα εκτείνεται σε 10¹⁰ έτη φωτός, όση η διάμετρος του ορατού σύμπαντος. Στην διάρκεια 100 ετών ο φαινόμενος ορίζοντας μεγαλώνει κατά ένα εκατοντάκις εκατομμυριοστό του μεγέθους του, επειδή προσλαμβάνει φως από καινούργιες περιοχές του σύμπαντος.

3.13. Η θερμή ύλη του σύμπαντος

Κατά την έναρξη της διαστολής του σύμπαντος η ύλη θα μπορούσε να είναι είτε ψυχρή είτε θερμή. Την δεκαετία το 1930 υποστηρίχθηκε το σενάριο της ψυχρής γέννησης της ύλης με την μορφή κρύων νετρονίων, η οποία στο τέλος μετατρεπόταν όλη στο στοιχείο ήλιο, αλλά οδηγήθηκε σε αντίφαση με τις παρατηρήσεις που έγιναν στην ποσότητα των χημικών στοιχείων στη φύση.

Το 1948 o Ρωσο-Αμερικανός φυσικός Γκάμωφ ήταν ο πρώτος που ασχολήθηκε με την φυσική κατάσταση του σύμπαντος λίγα μόλις λεπτά μετά την Μ. Έκρηξη και υποστήριξε το σενάριο της θερμής ύλης. Στα πρώτα στάδια, ένα δευτερόλεπτο μετά την Μ. Έκρηξη, τα στοιχειώδη σωματίδια κινούνταν μέσα σε ένα περιβάλλον εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας, της τάξης των 10 δισεκατομμυρίων βαθμών Kelvin, ενώ η ακτινοβολία κυριαρχούσε επάνω στην ύλη, σε αντίθεση με την σημερινή κατάσταση του σύμπαντος στην οποία κυριαρχεί η ύλη. Υπέθεσε ότι οι πρωταρχικοί αστέρες σχηματίσθηκαν από ένα μείγμα 70% υδρογόνου και 30% ηλίου, ενώ η ύλη των αστέρων που εμπλουτίσθηκε με βαρύτερα στοιχεία εκτοξεύθηκε στο διάστημα και σχηματίσθηκαν νέοι αστέρες. Η Γη δεν σχηματίσθηκε από την πρωταρχική ύλη, αλλά από ύλη που πέρασε μέσα από αυτή την πυρηνοσύνθεση των αστέρων. Μόνο όταν η θερμοκρασία του σύμπαντος βρέθηκε κάτω από 1 εκατομμύριο βαθμούς, ένα συγκεκριμένο ποσοστό ύλης μετατράπηκε σε ήλιο.

3.14. Το υπόβαθρο της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων

Επιπλέον, ο Γκάμωφ υπέθεσε ότι τα υπολείμματα της αρχέγονης ακτινοβολίας πρέπει να έχουν τώρα μορφή ψυχρής εναπομένουσας ακτινοβολίας, που υπολογίσθηκε σε θερμοκρασία περίπου 5 ⁰Κ, δηλαδή μια ακτινοβολία που έχει την μορφή μικροκυμάτων και αποτελούσε το απομεινάρι, την ηχώ, της ίδιας της Μ. Έκρηξης.

Αυτό το υπόβαθρο της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων διαπιστώθηκε αργότερα, όταν το 1965 οι Αμερικανοί ραδιο-επιστήμονες Γουΐλσον και Πένζιας ανακάλυψαν τυχαία έναν θόρυβο που κατέγραφε μια κεραία για την μέτρηση της ραδιοεκπομπής από τους γαλαξίες. Παρά τις επίμονες προσπάθειές τους, όμως, ο θόρυβος αυτός δεν απαλείφθηκε, ενώ διαπίστωσαν με ακριβείς μετρήσεις ότι δεν οφειλόταν σε κάποιο γνωστό τύπο πιθανών θορύβων, π.χ. από τα ηλεκτρικά κυκλώματα ή το υλικό της κεραίας. Προερχόταν από μια διάχυτη ακτινοβολία με την ίδια ένταση, μια ομοιογενή μουρμούρα, που κατέγραψαν από όλες τις διευθύνσεις παρατήρησης του σύμπαντος, με μήκος κύματος 7,35 cm και θερμοκρασία 3,5 Κ. (Και όμως αυτή την ακτινοβολία την είχε υπολογίσει ήδη από το 1941 ο Καναδός αστρονόμος Μάκελλαρ ως υπεύθυνη για την περιστροφή μορίων κυανίου που εντόπισε στις γραμμές του φάσματος φωτός ενός αστέρα).

Αυτή η ακτινοβολία αποτέλεσε έμμεση ένδειξη τόσο για την ύπαρξη της Μ. Έκρηξης όσο και για τα μοντέλα του σύμπαντος που βασίζονται στην θεωρία της θερμής ύλης και στην θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν.

Άλλη μία έμμεση ένδειξη σ’ αυτά αποτελεί και η αφθονία του στοιχείου ηλίου στην φύση, επειδή σε διάφορα γήινα αντικείμενα βρέθηκε τελικά, όπως υπέθεσε ο Γκάμωφ, ότι η περιεκτικότητά τους σε ήλιο ανέρχεται σε ποσοστό 25% σε σχετικά ομοιόμορφη κατανομή και όχι σε θυλάκους (άρα προέρχεται από την κοσμική εποχή και όχι από τον σχηματισμό των αστέρων). Τόση ποσότητα υπολογίζεται ότι παραγόταν στα πρώτα 6 δευτερόλεπτα της Μ. Έκρηξης, καθώς η αναλογία των πρωτονίων προς τα νετρόνια ήταν 7:1 (δηλαδή για κάθε 16 σωματίδια του πυρήνα 2 ήταν τα νετρόνια και συνδέονταν με 2 πρωτόνια για να σχηματίσουν το στοιχείο ήλιο, άρα συνολικά 4 σωματίδια στα 16, ίσον με ποσοστό 25%, ενώ αυτά που περίσσευαν ήταν πρωτόνια, δηλαδή πυρήνες υδρογόνου).
Το υπόβαθρο κοσμικής ακτινοβολίας περιέχει περίπου 1 δισεκατομμύριο φωτόνια (κβάντα φωτός) ανά 1m³ του σύμπαντος, ενώ για την ύλη αντιστοιχούν αναλογικά μόλις 3 άτομα υδρογόνου, δηλαδή αντιστοιχούν 10⁹ φωτόνια για κάθε βαρύ σωματίδιο (πρωτόνιο) στο σύμπαν! Όμως, η μέση πυκνότητα μάζας της συνήθους ύλης στο σύμπαν είναι 2.000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του υποβάθρου ακτινοβολίας, και γι’ αυτό η τελευταία θεωρείται αμελητέα. Επειδή δεν υπάρχει υπολογίσιμη ανομοιογένεια στην κατανομή της ύλης, σε κλίμακα 1 δισεκατομμυρίου ετών φωτός, το υπόβαθρο ακτινοβολίας φθάνει σε εμάς χωρίς διαφορά στην έντασή του από τις διάφορες διευθύνσεις του σύμπαντος. Η κατανομή, μάλιστα, των γαλαξιών στο σύμπαν μοιάζει σαν αυτή της κερήθρας, ενώ η πυκνότητα των γαλαξιών είναι πολύ υψηλή στα όρια των κυψελίδων αυτής της «κερήθρας».

3.15. Η εξέλιξη του σύμπαντος μετά την γένεσή του

Α. Το 1977 ο Στίβεν Γουάινμπεργκ παρουσίασε στο βιβλίο του «Τα πρώτα τρία λεπτά» την σύνθεση όλων των ευρημάτων της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

Έτσι, στο απώτατο παρελθόν, σε μια περίοδο μικρότερη από 10^-45 sec μετά την εμφάνιση της μοναδικότητας του σύμπαντος, δεν υπάρχει σχεδόν καμιά αμφιβολία ότι τόσο ο χώρος όσο και ο χρόνος υπήρχαν ως ξεχωριστά κβάντα. Παρόλα αυτά, όμως, μόνο υποθέσεις μπορούμε να κάνουμε για το τι, πώς και γιατί είχε συμβεί και τι υπήρχε πριν αρχίσει η διαστολή.

Στην αρχή της δημιουργίας του σύμπαντος, πάντως, στην λεγόμενη εποχή του φωτονικού πλάσματος, η ύλη ήταν ιονισμένη μέσα σε υψηλότατη θερμοκρασία και σχημάτιζε ομοιογενές πλάσμα, το οποίο ήταν αδιαπέραστο από την ακτινοβολία των φωτονίων αλλά και από τα νετρίνα (βλ. κεφ. 3.16), καθώς υπήρχε ισορροπία ανάμεσα στην ύλη και την ακτινοβολία, πάντοτε με την τεράστια διαφορά ποσότητας που αναφέρθηκε ανωτέρω. Το πρωταρχικό κομμάτι της μάζας της φυσικής ύλης εκείνη την εποχή ήταν φυσικά αυτό του φωτός. Επιπλέον, μέσα σε αυτή την τεράστια θερμοκρασία δημιουργούνται και καταστρέφονται τα στοιχειώδη σωματίδια: αντιθετικά ζεύγη ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου σχηματίζονται από συγκρούσεις φωτονίων, ενώ από τις συγκρούσεις ηλεκτρονίων με ποζιτρόνια σχηματίζονται είτε φωτόνια είτε ζεύγη νετρίνων-αντινετρίνων. Ταυτόχρονα, λόγω των συγκρούσεων των σωματιδίων αυτών σχηματίζονται και καταστρέφονται τα βαρέα σωματίδια: πρωτόνια, αντιπρωτόνια, νετρόνια και αντινετρόνια.

Περίπου 0,3 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη το σύνολο της ύλης γίνεται διαπερατό για τα νετρίνα, δηλαδή σταματούν να αλληλεπιδρούν με την υπόλοιπη ύλη, π.χ. με τα ηλεκτρόνια, και επιζούν μέχρι σήμερα χωρίς ο αριθμός τους να μεταβάλλεται, ενώ η ενέργειά τους πρέπει να είναι περίπου ίση με αυτήν του υποβάθρου ακτινοβολίας.

Ένα λεπτό μετά την Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία ήταν 10 δισεκατομμύρια βαθμοί, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αρχίζουν να επιζούν. Καθώς η θερμοκρασία του σύμπαντος μειώνεται συνεχώς, ο λόγος των πρωτονίων μεγαλώνει, ενώ των νετρονίων μικραίνει και η ποσότητά τους τελικά διατηρείται στο 15% όλων των βαρέων σωματιδίων.

Έπειτα, 300 δευτερόλεπτα μετά την Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία μειωθεί στους ένα δισεκατομμύριο βαθμούς, οι πιο απλοί από τους σύνθετους πυρήνες σχηματίζονται και καθώς η ενέργεια των κβάντων και των άλλων σωματιδίων είναι ανεπαρκής για την αποσύνθεση  τους, όλα τα διαθέσιμα νετρόνια παγιδεύονται από πρωτόνια. Τότε σχηματίζουν δευτερόνια, τα οποία στην συνέχεια δημιουργούν πυρήνες ατόμων ηλίου. Οι αντιδράσεις αυτές είναι ανάλογες με εκείνες που συμβαίνουν κατά την έκρηξη μιας βόμβας υδρογόνου.

Κατόπιν, σε λιγότερο από 1 λεπτό μετά την Μεγάλη Έκρηξη, συνετέθησαν τα δύο πρώτα στοιχεία και έκτοτε η ύλη συνίσταται από πυρήνες ηλίου σε ποσοστό σχεδόν 25% και από πυρήνες υδρογόνου, δηλαδή πρωτόνιο, σε ποσοστό σχεδόν 75%, με μια μικρή προσθήκη από τα επόμενα στοιχεία λίθιο και βηρύλλιο. Αυτή η πρώτη χημική σύνθεση αποτελεί το ανόθευτο υλικό των αστέρων και παραμένει αμετάβλητη μέχρις ότου να αρχίσουν να σχηματίζονται οι γαλαξίες και οι αστέρες καθώς και η πυρηνοσύνθεση μέσα στα άστρα.

Έτσι, ακολουθεί μια ήσυχη περίοδος 300.000 χρόνων περίπου, κατά την οποία το διαστελλόμενο φωτονικό πλάσμα παραμένει αδιαπέραστο από το υπόβαθρο ακτινοβολίας. Όταν, όμως, η θερμοκρασία μειώθηκε στους 4.000 βαθμούς περίπου, το ιονισμένο πλάσμα μετατράπηκε σε ουδέτερο αέριο. Αυτό ήταν και το σημείο καμπής στην περαιτέρω εξέλιξη του σύμπαντος, γιατί το αέριο αυτό έγινε πλέον διαπερατό από τα φωτόνια  του υπόβαθρου ακτινοβολίας. Η εναπομένουσα ή ενυπάρχουσα ακτινοβολία, τώρα, διαχωρίζεται από την ύλη και το σύμπαν έγινε διαπερατό στο φως. Η ύλη διαστελλόταν και γινόταν περισσότερο αραιή και κρύα, ώστε τα ουράνια σώματα να μπορούν πλέον να σχηματισθούν στο παγωμένο ουδέτερο αέριο. Η εποχή του φωτονικού πλάσματος αντικαθίσταται από την εποχή των μορφολογικών σχηματισμών στο σύμπαν.

Μέσα από μια διαδικασία, που ονομάζεται βαρυτική αστάθεια, οι γαλαξίες και τα νεφελώματα προήλθαν από το αρχέγονο περίπου ομοιογενές υλικό, ύστερα από την ανάπτυξη τεράστιων «σταγόνων» ύλης μέσω της επίδρασης των βαρυτικών δυνάμεων αλλά και με την αντισταθμιστική σε αυτές πίεση του υποβάθρου ακτινοβολίας. Μόλις σχηματίσθηκαν νέφη διαγαλαξιακού αερίου, άρχισαν να συστέλλονται κάτω από την επίδραση του δικού τους βάρους. Καθώς το αέριο γινόταν ολοένα πυκνότερο, θερμάνθηκε και στο κέντρο του σχηματίσθηκε αργά αργά ένας νεογέννητος αστέρας. Όταν αυτή η θερμοκρασία ανυψώθηκε πολύ και έφθασε μερικά εκατομμύρια βαθμούς, οι συνθήκες έγιναν τόσο θερμές ώστε ο αστέρας άρχισε να λάμπει. Οι αστέρες λάμπουν, επειδή στο εσωτερικό τους εξελίσσεται μια θερμοπυρηνική σύντηξη: δύο άτομα υδρογόνου συντήκονται για να σχηματισθεί ένα πυρήνας ατόμου ηλίου απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας (πλάσμα).

[Κάτι τέτοιο επιδιώκουν να πραγματοποιήσουν οι επιστήμονες για την παραγωγή απεριόριστης, καθαρής, όχι ραδιενεργούς, ενέργειας. Για να εμποδίσουν το πλάσμα να δραπετεύσει από τους φούρνους σύντηξης, χρειάζεται να παραμένει ακίνητο στο χώρο με την βοήθεια ισχυρών ηλεκτρομαγνητών. Αυτό οι αστέρες το επιτυγχάνουν χάρη στην εξαιρετικά δυνατή βαρύτητά τους, ενώ την ίδια στιγμή αυτή η διαδικασία παρέχει μια πίεση προς τα έξω που αντισταθμίζει την προς τα μέσα πίεση (που ασκεί η βαρύτητα του αστέρα με σκοπό να τον συνθλίψει) και έτσι εξασφαλίζεται ισορροπία στο σύστημα].

Β. Παρόμοια, σύμφωνα με την θεωρία του Πληθωρισμού, στην σχεδόν αρχή του χώρου και του χρόνου υπήρχε ένα απίστευτα πυκνό, ζεστό και απόλυτα συμμετρικό τοπίο-σημείο, όπου υπήρχαν μόνο οι νόμοι της φυσικής και η κβαντική διακύμανση του κενού, που επιτρέπει να δημιουργούνται σωματίδια στιγμιαία μαζί με τα αντισωματίδιά τους, ώστε να εξαφανιστούν αμέσως πριν παραβιάσουν την αρχή διατήρησης της ενέργειας.

 Εκεί υπήρχαν πιθανόν ενοποιημένες οι 4 θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (βλ. κεφ. 6.1), ενώ κάποια στιγμή η βαρύτητα ξεχώρισε από την ενιαία δύναμη των υπολοίπων τριων. Σε χρόνο 10^-43 sec και θερμοκρασία 10^{32 0}C, σε αυτή την κενή γειτονιά, υπήρχε και το λεγόμενο κβαντικό κενό ή ψευδοκενό (βλ. κεφ. 2.17), το οποίο μπορεί να περικλείει ενέργεια σαφώς μεγαλύτερη από αυτήν που έχει η άδεια κατάσταση. Σε χρόνο 10^-37 sec, καθώς η θερμοκρασία έπεφτε, διαχωρίσθηκε η ενιαία δύναμη σε ισχυρή και ηλεκτρασθενή (βλ. κεφ. 6.5), όχι όμως άμεσα, πιθανόν λόγω της πολύ γρήγορης ψύξης, και το σύστημα συσσώρευσε υψηλότερη ενέργεια από όση αντιστοιχούσε στην θερμοκρασία του.

 Με την απειροελάχιστη αυτή χρονική μετατόπιση της αλλαγής της κατάστασης, λοιπόν, συσσωρεύθηκε η σκοτεινή ενέργεια που αντιτίθεται στην επίδραση της βαρύτητας, και θυμίζει την περίφημη κοσμολογική σταθερά λ. Χάρη σ’ αυτήν την κοσμική άπωση, όσο ο διαχωρισμός των δυνάμεων δεν προχωρούσε και το σύστημα δεν άλλαζε φάση, το σύμπαν φούσκωσε αστραπιαία, καθώς γινόταν διπλάσιο κάθε 10^-37 sec. Είναι το φαινόμενο της υπερψύξης, το οποίο μπορεί να παρατηρηθεί και στο πολύ καθαρό χημικά νερό, καθώς αν το ψύξουμε πολύ προσεκτικά, μπορεί να παραμείνει υγρό και κάτω από τους 0 ⁰C διαθέτοντας περίσσευμα ενέργειας, αν όμως το ταρακουνήσουμε, τότε γίνεται πάγος και απελευθερώνεται η ενέργεια.

Με παρόμοιο τρόπο, σε χρόνο 10^-35 sec κάτι απειροελάχιστο στο ψευδοκενό ενόχλησε την πλήρη συμμετρία και τότε διαχωρίσθηκε τελικά η ισχυρή από την ηλεκτρασθενή δύναμη, απελευθερώθηκε πλέον η ενέργεια και δημιουργήθηκε η ύλη, η αντιύλη και τα φωτόνια, αλλά η συνολική ενέργεια παρέμεινε μηδενική, καθώς ήταν μια αναδιανομή ενέργειας. Αυτή η μορφή ύλης σε περιβάλλον πολύ υψηλών ενεργειών, που δημιουργεί βαρυτική άπωση είναι απίστευτα μικρή: δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από ένα πρωτόνιο! Και όμως υπήρξε η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του αρχέγονου σύμπαντος, το οποίο διπλασιαζόταν καταιγιστικά ενώ διατηρούσε ταυτόχρονα σταθερή την πυκνότητά του! Καθώς η ουσία όμως της αντιβαρύτητας ήταν εξαιρετικά ασταθής, η γρήγορη αποσύνθεσή της ελευθέρωσε την ενέργεια που δημιούργησε κατόπιν τα κανονικά σωματίδια στον αρχέγονο πολτό.

Τι τα ξεκίνησε, όμως, όλα αυτά, ποια ήταν η σπίθα για την υπερψύξη; Άλλο είναι το μηδέν και άλλο το κενό. Αν θεωρήσουμε το μηδέν ως μια ανθρώπινη κατασκευή, τότε θα δεχθούμε το κβαντικό κενό ως μια παλλόμενη οντότητα που συναντά την ελάχιστη αντίσταση όταν βρίσκεται σε μια ελάχιστη κίνηση από το να μένει στο απόλυτο τίποτα. Αυτή η κβαντική διακύμανση είναι ίσως η φυσική κατάσταση ισορροπίας του κενού, πιθανότερη και απλούστερη από την απόλυτη ανυπαρξία. Μικροσκοπικά σύμπαντα δημιουργούνται και καταστρέφονται ακαριαία, αλλά πιθανόν κάποιο πρόλαβε και έφθασε στο σημείο υπερψύξης πυροδοτώντας την δημιουργία του κόσμου. Αν δεν υπήρχαν οι διακυμάνσεις, δεν θα ίσχυε η αρχή της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ (βλ. κεφ. 5.1).

Επομένως, μπορεί να ισχύει ένα από τα εξής πιθανά σενάρια:

α) να υπάρχουν πολλά σύμπαντα ιεραρχικά τοποθετημένα κάτω από ένα υπερδιάστημα,

β) η σπασμένη συμμετρία σε διαφορετικά σημεία με διαφορετικό τρόπο να οδήγησε σε διακριτές περιοχές στο ίδιο μετασύμπαν, μια οντότητα με σύμπαντα που δεν μπορούν να συνδεθούν ποτέ μεταξύ τους,

γ) η φάση του Πληθωρισμού, με μια ευρύτερη έννοια, δεν έχει σταματήσει, αλλά συνεχίζεται ακόμα, έστω και αν το σημερινό κοσμικό κενό έχει πολύ χαμηλότερη ενέργεια από το ψευδοκενό.

Οι τελευταίες παρατηρήσεις δείχνουν πως η διαστολή του σύμπαντος είναι επιταχυνόμενη, οπότε και η σκοτεινή ενέργεια έχει ακόμη αξιοσημείωτη επίδραση στο χώρο. Αν, λοιπόν, βρισκόμαστε στην μέση μιας ήρεμης φάσης του Πληθωρισμού, τίποτα δεν αποκλείει την πυροδότηση μιας διαδικασίας που θα οδηγήσει το ψευδοκενό σε ακόμα χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Η συγκέντρωση υπερβολικά μεγάλου ποσού ενέργειας σε ένα σημείο του χωρόχρονου ενδέχεται να δημιουργήσει ακόμα και ένα σύμπαν μέσα σε έναν επιταχυντή (γεγονός, μάλιστα, που μερικοί επιστήμονες ανησυχούν πως θα μπορούσε να αναπτυχθεί σαν φυσαλίδα, να διαδοθεί αστραπιαία και να καταστρέψει τα πάντα).

3.16. Τα μυστηριώδη νετρίνα

Ο Ελβετός φυσικός Παολί «επινόησε» το 1930 ένα νέο, αινιγματικό, σωματίδιο που ονομάσθηκε νετρίνο, στην προσπάθειά του να εξηγήσει τον λόγο για τον οποίο φαίνεται σαν να εξαφανίζεται ένα μέρος από την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την ακτινοβολία β των πυρήνων ενός ραδιενεργού στοιχείου (το ολικό άθροισμα ενεργειών όλων των σωματιδίων εμφανίζεται διαφορετικό μετά την διάσπαση και έτσι ο νόμος διατήρησης της ενέργειας φαίνεται να παραβιάζεται). Η ενέργεια, λοιπόν, αυτή που χάνεται δικαιολογείται μόνο αν δεχθούμε την δημιουργία ενός νέου υποθετικού σωματιδίου, του νετρίνου, το οποίο αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με την συνηθισμένη ύλη και γι’ αυτό διαφεύγει μακριά από το εργαστήριο χωρίς να καταγράφεται από τους ανιχνευτές η ενέργειά του. Πράγματι, ανακαλύφθηκαν πολύ αργότερα, το 1953, με άμεσο τρόπο και βρέθηκε ότι ταξιδεύουν ελεύθερα μέσα από το εσωτερικό οποιουδήποτε αστέρα, χωρίς να συγκρουστούν απαραίτητα με κάποιο σωματίδιό του, σαν να βρίσκονται σε κενό χώρο, όπως π.χ. το φως περνά απρόσκοπτα μέσα από το τζάμι.

Μερικά δέκατα του δευτερολέπτου μετά την Μ. Έκρηξη, όταν η ύλη είχε υψηλότατη θερμοκρασία και ήταν αδιαπέραστη από την ακτινοβολία, τα φωτόνια αλλά και τα νετρίνα, όπως αναφέρθηκε ανωτέρω, επέζησαν μαζί στο σύμπαν. Ο αριθμός των νετρίνων προσέγγιζε το 1/3 του αριθμού των φωτονίων, ενώ η αναλογία αυτή έχει παραμείνει αμετάβλητη μέχρι σήμερα: στα 500 περίπου εναπομείναντα φωτόνια ανά 1cm³ του σύμπαντος αντιστοιχούν περίπου 150 εναπομείναντα νετρίνα. Η πυκνότητα μάζας των νετρίνων θεωρείται αμελητέα σε σχέση με αυτή της συνήθους ύλης στο σύμπαν, και μάλιστα περισσότερο μικρή από αυτή του υποβάθρου ακτινοβολίας, όπως αναφέρθηκε ανωτέρω.

Ενώ η βαρύτητα είναι η κύρια δύναμη στην κίνηση της ύλης στο σύμπαν, τα νετρίνα εμφανίζονται τώρα ως τα σημαντικότερα σωματίδια στο σύμπαν. Η κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν μοιάζει με αυτή της κερήθρας, ενώ η κίνησή τους μέσα στα σμήνη τους είναι τέτοια, ώστε να μπορεί κανείς να υποθέσει ότι κάποια αόρατη ή «σκοτεινή» ύλη, μια «λανθάνουσα» μάζα, υφίσταται στο χώρο μεταξύ των γαλαξιών, η οποία επηρεάζει τα κινούμενα σώματα με την βαρύτητά της και δεν εκδηλώνεται με κάποιον άλλο τρόπο. Η δύναμη αυτή που προκαλεί την διαστολή του σύμπαντος φαίνεται να είναι η βαρύτητα των νετρίνων. Μολονότι τα νετρίνα έχουν απειροελάχιστη μάζα, 20.000 φορές μικρότερη από αυτή των πρωτονίων, η ολική μάζα τους δείχνει ότι συνιστά την κυρίαρχη συνιστώσα της ύλης μέσα στο σύμπαν, σαν να ζούμε δηλαδή μέσα σε ένα σύμπαν νετρίνων.

Επομένως, αν η μέση πυκνότητα της συνήθους ύλης αλλά επιπλέον, τώρα, και των νετρίνων είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη πυκνότητα ρ_c του σύμπαντος, τότε μόνον η διαστολή του στο πολύ μακρινό μέλλον θα αλλάξει σε συστολή. Επιπλέον, υπολογίζεται ότι 300 χρόνια μετά την Μ. Έκρηξη υπήρχαν οι κατάλληλες συνθήκες για την δημιουργία νεφών από νετρίνα, καθώς η ταχύτητά των νετρίνων γινόταν ολοένα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός, λόγω σημαντικής απώλειας της ενέργειάς τους από την διαστολή του σύμπαντος. Ένα τέτοιο τυπικό νέφος νετρίνων μέσα σε μια σφαίρα 300 ετών φωτός θα είχε μάζα περίπου 10¹⁵ ηλιακές μάζες, ενώ λόγω αυτής της διαδικασίας, σύμφωνα με υπολογισμούς, το σχήμα του πρέπει να ήταν αρκετά επίπεδο, σαν τηγανίτα. Ένα τέτοιο πρότυπο είναι κατάλληλο, σαν μια κυψέλη, για την δημιουργία μιας αόρατης «κερήθρας» από νετρίνα. Σε κάθε τέτοια κυψέλη-τηγανίτα μπορεί να σχηματισθεί έπειτα ένα σμήνος γαλαξιών μάζας περίπου 3 * 10¹³ ηλιακών μαζών, καθώς η μάζα της συνήθους ύλης είναι το 1/300 της μάζας των νετρίνων. Έτσι, το σύμπαν υφίσταται, πλέον, σαν μια αχανής θάλασσα νετρίνων που συναθροίζεται σε νέφη, μέσα στα οποία κινούνται με ταχύτητα γύρω στα 1000 km/sec. Διαπιστώνουμε, πλέον, ότι το σύμπαν εκτός από το υπόβαθρο ακτινοβολίας διαθέτει και ένα υπόβαθρο νετρίνων.

3.17. Η ύλη και οι 4 αινιγματικές ιδιότητές της – Η απάντηση της θεωρίας του Πληθωρισμού

Μέσα στα πρώτα δευτερόλεπτα της Μ. Έκρηξης η χημική σύνθεση της προαστρικής ύλης είναι το 25% του στοιχείου ηλίου που σχηματίσθηκε. Αν θέλουμε να αναζητήσουμε ίχνη από ακόμα προηγούμενες διαδικασίες, διαπιστώνουμε 4 απόκρυφες και αινιγματικές ιδιότητες του σύμπαντος που οδηγούν σε 4 αντίστοιχα ερωτήματα (οι απαντήσεις τους στηρίζονται στην κοσμολογική συνέπεια της θεωρίας της «μεγάλης ενοποίησης»):

α) Ο αριθμός φωτονίων του υποβάθρου ακτινοβολίας είναι τεράστιος σε σύγκριση με αυτόν των βαρέων σωματιδίων. Ποια ήταν, λοιπόν, η αιτία που προκάλεσε αυτή την τεράστια διαφορά ( ο λόγος τους είναι ένα δισεκατομμύριο προς ένα!);

Απάντηση: Όταν το σύμπαν βρισκόταν σε θερμοκρασία άνω των 10²⁷ Κ, περιείχε ένα υπερθερμό μείγμα όλων των θεμελιωδών σωματιδίων και τον ίδιο αριθμό αντισωματιδίων τους. Αν δεν υπήρχε αυτή η εξισορρόπηση, τότε λόγω του πλεονάσματος σωματιδίων δεν θα υπήρχαν μέχρι σήμερα ούτε πρωτόνια ούτε νετρόνια, αφού θα μετατρέπονταν όλα σε ελαφρά σωματίδια. Αργότερα, όταν επικρατεί χαμηλότερη θερμοκρασία, είναι δυνατόν να διασπασθούν τα υπερβαρέα σωματίδια Χ-μποζόνια όσο και τα αντισωματίδιά τους και να δημιουργηθεί μια ελαφρά υπεροχή των σωματιδίων ως προς τα αντισωματίδια με λόγο, σύμφωνα με υπολογισμούς, περίπου ένα σωματίδιο προς ένα δισεκατομμύριο ζευγών σωματιδίου-αντισωματιδίου. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, εκμηδενίζονται σωματίδια και αντισωματίδια και τελικά μετατρέπονται σε φωτόνια, τα οποία μαζί με τα υπάρχοντα φωτόνια θα σχηματίσουν το υπόβαθρο ακτινοβολίας, ενώ το πλεόνασμα αυτών των επιπλέον σωματιδίων θα δημιουργήσει την συνήθη ύλη του σημερινού σύμπαντος.

β) Επειδή το υπόβαθρο ακτινοβολίας φθάνει σε εμάς με σταθερή ένταση και θερμοκρασία, ανεξάρτητη της διεύθυνσης παρατήρησης, με ακρίβεια της τάξης του 0,01%, συμπεραίνουμε το εξής: στην κρίσιμη στιγμή του παρελθόντος, όταν το φωτονικό πλάσμα έγινε διαπερατό και τα φωτόνια εκπέμφθηκαν στο χώρο, μόνο πολύ μακρινά σημεία του χώρου είχαν την ίδια θερμοκρασία. Τα σημεία αυτά βρίσκονταν έξω από τον φαινόμενο ορίζοντα και δεν μπορούσαν να ανταλλάσσουν πληροφορίες τυχαία. Αν, όμως συνέβαινε αυτό, τότε οι θερμοκρασίες αυτές δεν θα ήταν ταυτόσημες. Επομένως, το λεγόμενο πρόβλημα του ορίζοντα συγκεκριμενοποιείται στο ερώτημα γιατί το σύμπαν είναι τόσο πολύ ομοιογενές σε μεγάλη κλίμακα;

Απάντηση: Σε μια σύντομη περίοδο μεταξύ 10^-34 και 10^-32 sec και με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 10²⁷ Κ το σύμπαν περιείχε επιπλέον ένα πεδίο, το καλούμενο «βαθμωτό» πεδίο, που διέθετε τις ιδιότητες του κενού και μια τεράστια αρνητική πίεση που καλείται κβαντικό κενό. Τότε το σύμπαν διογκώθηκε, σύμφωνα με την θεωρία του Πληθωρισμού (βλ. κεφ. 3.8), εξαιτίας της βαρυτικής άπωσης του κβαντικού κενού, με μια τεράστια επιτάχυνση που του προκάλεσε μεγέθυνση περίπου κατά 10⁴⁸ φορές (αντί για 10 μόνο φορές)! Επομένως, αν θεωρήσουμε ότι κάποια σημεία μετά την «διόγκωση» του σύμπαντος δεν μπορούν πλέον να ανταλλάξουν σήματα μεταξύ τους, διαπιστώνουμε ότι είχαν την ευκαιρία να το κάνουν πριν από την «διόγκωσή» του κατά τον λεγόμενο Πληθωρισμό, ώστε να βρεθούν σε θερμοδυναμική ισορροπία.

γ) Αν η σημερινή πυκνότητα της ύλης διαφέρει από την κρίσιμη τιμή λιγότερο από μια τάξη μεγέθους, η ισορροπία βαρύτητας και ρυθμού διαστολής στο παρελθόν έπρεπε να ρυθμισθεί με φανταστική ακρίβεια (η ισορροπία, 1 sec μετά την δημιουργία, δεν μπορούσε να παραβιασθεί περισσότερο από ένα δεκάκις χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του 1%)! Αν η πυκνότητα αποκλίνει από την κρίσιμη τιμή, η διαφορά αυτή μπορεί μόνο να αυξηθεί (αν γίνει ίση, ο βαθμός διαστολής εξισορροπείται με ακρίβεια από την βαρύτητα, ενώ αν η ισορροπία κλίνει ανεπαίσθητα π.χ. υπέρ της βαρύτητας, τότε η επιβράδυνση της διαστολής θα παραβιάσει με την σειρά της σε λίγο την ισορροπία αυτή). Το σύμπαν, λοιπόν, μοιάζει σχεδόν επίπεδο, μια κατάσταση εξαιρετικά εύθραυστης ισορροπίας, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι θα πρέπει να ξεκίνησε ακριβώς έτσι, γιατί διαφορετικά με την εξέλιξη του χρόνου θα ξέφευγε ακόμη περισσότερο από την οριακή ποσότητα της κρίσιμης πυκνότητας. Γιατί, λοιπόν, συμβαίνει σήμερα η πυκνότητα της ύλης στο σύμπαν να είναι αρκετά κοντά στην κρίσιμη τιμή και οι γεωμετρικές ιδιότητες του χώρου να βρίσκονται πολύ κοντά σε εκείνη του επίπεδου χώρου;

Απάντηση: Μετά το τέλος της σύντομης «διόγκωσης» του σύμπαντος η αντιβαρύτητα του κβαντικού κενού εξανάγκασε την συνήθη ύλη να αναδυθεί από αυτήν και να διασταλεί με ένα συγκεκριμένο βαθμό εξισορρόπησης. Η πυκνότητα του κενού αντιστοιχεί ακριβώς στην κρίσιμη πυκνότητα εκείνη την εποχή, έτσι και η πυκνότητα της ύλης αντιστοιχεί επίσης στην κρίσιμη τιμή με μεγάλη ακρίβεια.

δ) Παρά την εκπληκτική ομοιογένεια του σύμπαντος σε τεράστια κλίμακα, υπήρξαν στο παρελθόν αποκλίσεις σε μικρότερη κλίμακα. Ποια αιτία προκάλεσε αυτές τις πρώιμες διακυμάνσεις (βλ. και κεφ. 6.12: συσσωματώματα), οι οποίες αργότερα μετεξελίχθηκαν σε γαλαξίες και τα συστήματά τους (και μάλιστα όχι των οποιωνδήποτε, αλλά αυτών που κατέληξαν στον σχηματισμό των ξεχωριστών κόσμων, σε μια εποχή όχι πολύ μακρινή από την δική μας);

Απάντηση: Όταν η ύλη διασπάται, κάποια μέρη της διασπώνται γρηγορότερα και άλλα με αργότερο ρυθμό. Επομένως, η μετάβαση στην διαστολή του σύμπαντος, που οφειλόταν στην βαρύτητα της θερμής ύλης, γίνεται σε διαφορετικές στιγμές του χρόνου, σε διαφορετικά σημεία του χώρου, με μικρές ανομοιογένειες της πυκνότητας. Αυτή η διαδικασία είναι οι πρωτογενείς δονήσεις που οδήγησαν τελικά στον σχηματισμό των γαλαξιών.

Όπως φαίνεται από τα ανωτέρω, για την επίλυση αυτών των προβλημάτων που αντιμετωπίζει η θεωρία της Μ. Έκρηξης δημιουργήθηκε η υπόθεση του Πληθωρισμού, κατά την οποία το σύμπαν στο πρώτο του στάδιο ήταν πολύ μικρότερο από όσο υπέθετε η θεωρία της Μ. Έκρηξης, ώστε να προλάβει να γίνει ομοιογενές ανταλλάσσοντας πληροφορίες. Δεν ξεκίνησαν, λοιπόν, όλα με μια έκρηξη, αλλά προηγήθηκε μια απειροελάχιστη «ανάσα». Κατόπιν, το σύμπαν μεγάλωσε απότομα και εξαιρετικά γρήγορα με εκθετικούς μάλιστα ρυθμούς αύξησης και έγινε πραγματικά τεράστιο. Καθώς είναι πλέον τερατώδες σε μέγεθος, βλέπουμε ένα μόνο πολύ μικρό μέρος του, το οποίο μας φαίνεται επίπεδο, ενώ πρόκειται για ένα σύμπαν αφάνταστα πελώριο, ώστε να είναι πρακτικά άπειρο, αν και είναι πεπερασμένο στα μαθηματικά. Αυτό το φοβερό φούσκωμα έγινε με ταχύτητα πολύ μεγαλύτερη του φωτός, γεγονός που δεν παραβιάζει καμία αρχή, καθώς πρόκειται για τέντωμα του ιδίου του χώρου και όχι για κίνηση εντός αυτού. Έπειτα, το σύμπαν συνέχισε την διαστολή του με τον γνώριμο ρυθμό και από το σημείο αυτό και ύστερα ισχύει η θεωρία της Μ. Έκρηξης. Όχι πλέον η Γη, αλλά και το ορατό σύμπαν φαίνεται πια να είναι ένα απλό ασήμαντο σημείο μέσα στην κοσμική απεραντοσύνη, μια απλή λεπτομέρεια του χώρου. Ένα άτομο υδρογόνου χρειάζεται μόλις 120 διπλασιασμούς του όγκου του, δηλ. 2¹²⁰, για να καλύψει όλο το ορατό σύμπαν! Κατά την διάρκεια του Πληθωρισμού το σύμπαν διπλασιάστηκε 100 φορές σε λιγότερο από 1 δεκάκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.

3.18. Προβλέψεις για την δομή του σύμπαντος πέρα από τον φαινόμενο ορίζοντα

Με αυτό τον τρόπο η θεωρία του διαστελλόμενου ή διογκούμενου σύμπαντος εξηγεί τα βασικά χαρακτηριστικά του κόσμου μας. Παρέχει, όμως και άλλες ενδιαφέρουσες προβλέψεις. Όταν το πρώιμο σύμπαν διένυε μια διαδικασία μετάβασης φάσης, γειτονικές περιοχές με διαφορετικές ιδιότητες μπορούν να μορφοποιηθούν με τρόπο παρόμοιο με αυτόν του διογκωμένου σύμπαντος. Ταυτόχρονα, διάφορα εξωτικά σωμάτια και δομές μπορούν να εμφανισθούν στα όρια των περιοχών, τα καλούμενα μαγνητικά μονόπολα, που είναι φορείς του απομονωμένου μαγνητικού ή ηλεκτρικού φορτίου. Πιστεύεται ότι αν αυτές οι περιοχές-επικράτειες υπάρχουν πραγματικά, θα είναι υπέρμετρα μεγάλες, δηλαδή με διάμετρο περίπου 10³³ έτη φωτός. Εμείς, τότε, ζούμε κάπου μέσα σε μια τέτοια περιοχή με φαινόμενο ορίζοντα 10¹⁰ έτη φωτός, ενώ τα τοιχώματα που διαχωρίζουν την δική μας περιοχή από άλλες βρίσκονται πιθανόν σε απόσταση 10³³ έτη φωτός! Μονόπολα και άλλοι τύποι εξωτικών σχηματισμών προσκολλώνται στα τοιχώματα, τα οποία σχηματίζουν φράγμα ανάμεσα σε διάφορους κόσμους. Το τόσο ομοιογενές σε μεγάλη κλίμακα σύμπαν μετατρέπεται πάλι σε ανομοιογενές πολύ πέρα από τον φαινόμενο ορίζοντα!

Η μαζική παραγωγή τέτοιων μαγνητικών μονόπολων στα αρχικά στάδια του σύμπαντος, όπως προβλέπει η θεωρία της Μ. Έκρηξης, και η αδυναμία εντοπισμού των μέχρι σήμερα (γνωρίζουμε μόνο τους γνωστούς μαγνήτες με δύο πόλους), μας οδηγεί πάλι μέσω της θεωρίας του Πληθωρισμού στην υπόθεση είτε της ύπαρξής τους σε ένα χώρο αχανή, πολύ μεγαλύτερο από ό,τι πιστεύουμε, είτε της παύσης της δημιουργίας των πολύ νωρίτερα από ό,τι θεωρούσαμε ως τώρα.

3.19. Το πιθανό μέλλον του σύμπαντος

Σύμφωνα με την θεωρία της σχετικότητας όσο πιο πολύ ύλη υπάρχει τόσο πιο καμπυλωμένο γίνεται το σύμπαν. Αν υπάρχει πολλή ή λίγη ύλη, τότε η ελκτική δύναμη της βαρύτητας θα υπερνικήσει ή όχι αντίστοιχα τον ρυθμό απομάκρυνσης των πάντων. Έτσι συμπεραίνεται ότι το σύμπαν οδηγείται αναγκαστικά σε μία από τις δύο πιθανές μελλοντικές καταστάσεις:

α) την Μεγάλη Σύνθλιψη, εάν το σύμπαν σταματήσει κάποτε να διαστέλλεται, οπότε θα αρχίσει τότε να συστέλλεται, με αποτέλεσμα να καταρρεύσει στον εαυτό του και να οδηγηθεί όλη η ύλη σε μια κατακλυσμιαία εισροή ή

β) την Μεγάλη Ψύξη, εάν το σύμπαν συνεχίσει να διαστέλλεται επ’ άπειρον, οπότε το σύμπαν θα ψύχεται σταθερά, με αποτέλεσμα να καταλήξει σε θερμικό θάνατο.

Σήμερα, όμως, με βάση την θεωρία του Πληθωρισμού πιστεύουμε ότι η μοίρα του σύμπαντος δεν εξαρτάται μόνον από την πυκνότητα της ύλης αλλά και από τον ρόλο της κοσμολογικής σταθεράς λ, γεγονός που καθιστά την κοσμολογία πιο περίπλοκη απ’ ό,τι ελπίζαμε. Επιπλέον, επειδή το σύμπαν φαίνεται σχεδόν επίπεδο, μοιάζει σαν να αμφιταλαντεύεται μεταξύ διαρκούς διαστολής και τελικής κατάρρευσης…

Εξάλλου οι κοσμολόγοι, προκειμένου να εξαλείψουν την ασυμφωνία που παρατηρείται μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης, έχουν εναποθέσει τις ελπίδες τους στην υποτιθέμενη ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, που όπως αναφέρθηκε αντιστοιχεί σε τεράστιο ποσοστό της συνολικής ύλης ενός σύμπαντος επίπεδου. Έτσι οι επικριτές αυτής της θεωρίας διατείνονται πως ίσως το πρόβλημα δεν έγκειται τελικά σε αυτήν την χαμένη μάζα αλλά στις δικές μας θεωρίες που αδυνατούν να δώσουν ικανοποιητικές εξηγήσεις.

3.20. Τι προϋπήρχε του σύμπαντος;

Τι υπήρχε, όμως, πριν την Μ. Έκρηξη; Τι πυροδότησε τελικά την Μ. Έκρηξη; Υπάρχουν τρία πιθανά σενάρια που απαντούν σε αυτά τα ερωτήματα:

α) ένα άλλο σύμπαν, πιθανόν όμοιο με το δικό μας (είναι ανάλογο με το τι θα γινόταν αν συμβεί η Μεγάλη Σύνθλιψη: θα μπορούσε να αποτελέσει αφετηρία για ένα νέο σύμπαν από τις στάχτες του δικού μας),

β) το σύμπαν αποτελούσε, μέχρι την Μ. Έκρηξη, τμήμα ενός μεγαλύτερου χώρου 10 ή 11 διαστάσεων, (βλ. κεφ. 6.9 και 6.10: θεωρία των υπερχορδών και θεωρία των μεμβρανών: το σύμπαν ήταν αρχικά ασταθές και με την Μ. Έκρηξη έκανε κβαντικό άλμα σε μια πιο σταθερή κατάσταση, όπου οι 6 ή 7 διαστάσεις κουλουριάσθηκαν σε μια απίστευτα μικρή μπάλα αφήνοντας ελεύθερες τις υπόλοιπες τρεις συν μία διαστάσεις του σημερινού σύμπαντος) ή

γ) η Μ. Έκρηξη σηματοδότησε όχι μόνο την γέννηση του σύμπαντος αλλά και την έναρξη του χρόνου (είναι λανθασμένη η διατύπωση «πριν την Μ. Έκρηξη», αφού ο χρόνος πριν από αυτήν στερείται νοήματος).

3.21. Οι αντίπαλες θεωρίες της Μ. Έκρηξης

Μερικοί επιστήμονες, εντούτοις, αμφισβήτησαν την θεωρία της Μ. Έκρηξης προβάλλοντας διαφορετικά μοντέλα για το σύμπαν. Η βασική αντίπαλη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι η λεγόμενη θεωρία της Σταθερής κατάστασης ή της Συνεχούς Δημιουργίας, η οποία προτάθηκε το 1948 από τους φυσικούς Μπόνντι, Γκολντ και Χόυλ, και σύμφωνα με την οποία το σύμπαν δεν είχε μια στιγμή δημιουργίας, αλλά υπήρχε ανέκαθεν, χωρίς αρχή και τέλος. Επίσης, η ύλη του δεν δημιουργήθηκε ολόκληρη κατά την στιγμή μιας μεγάλης έκρηξης, αλλά εμφανίζεται σταδιακά σε μικρά ποσά σε όλη την έκταση και την διάρκεια του σύμπαντος, δηλαδή σχηματίσθηκε σε τοπικά ενεργητικά γεγονότα σε διαφορετικές γειτονιές του σύμπαντος. Η ονομασία, μάλιστα, «Μεγάλη Έκρηξη» προήλθε από τον… Χόυλ, ο οποίος μιλούσε με απαξιωτικό χαρακτήρα για την θεωρία αυτή, ειρωνευόμενος τον πιο γνωστό θιασώτη της, τον Γκάμωφ. Η θεωρία αυτή είναι σήμερα αμφισβητήσιμη, γιατί δεν δίνει ικανοποιητικές εξηγήσεις π.χ. για την διάχυτη ακτινοβολία των μικροκυμάτων της κοσμικής ακτινοβολίας που αναφέρθηκε ανωτέρω, για την παρατηρούμενη αύξηση της πυκνότητας γαλαξιών ρπος τις μακρυνότερες περιοχές του σύμπαντος κ.ά.

Άλλη αντίπαλη θεωρία της Μ. Έκρηξης είναι η Κινηματική Σχετικότητα, που διατυπώθηκε το 1935 από τον Μίλνε, αλλά έχει πλέον εγκαταλειφθεί, σύμφωνα με την οποία μόνον η έννοια του χρόνου είναι θεμελιώδης για το σύμπαν, καθώς διακρίνεται σε δυναμικό χρόνο, ως προς τον οποίο τα σημεία του σύμπαντος είναι ακίνητα, και σε κινηματικό χρόνο, ως προς τον οποίο μόνον υπάρχει διαστολή του σύμπαντος.

Επιπλέον, το 1949 διατυπώθηκε η Θεωρία του Τζόρνταν, σύμωνα με τον οποίο το σύνολο της μάζας-ενέργειας του σύμπαντος είναι πάντοτε μηδέν, καθώς παρατήρησε ότι το άθροισμα της κινητικής ενέργειας της Διαστολής, της δυναμικής ενέργειας του Σύμπαντος και της ενέργειας μάζας του Σύμπαντος ισούται με μεγάλη προσέγγιση με μηδέν. Επομένως, αφού το σύμπαν διαστέλλεται, η δυναμική του ενέργεια απολύτως ελαττώνεται και έτσι θα πρέπει να δημιουργείται νέα ύλη στο διάστημα σε κατάλληλες αποστάσεις και με κατάλληλες ταχύτητες, ώστε το άθροισμα αυτό να διατηρείται πάντοτε ίσο με μηδέν. Άρα, αφού η συνολική ύλη-ενέργεια είναι μηδέν, τίποτα δεν δημιουργείται από το μηδέν. Τελικά, και η θεωρία αυτή αμφισβητήθηκε, γιατί έρχεται σε αντίθεση με την ακτινοβολία των μικροκυμάτων της κοσμικής ακτινοβολίας, καθώς και με άλλα παρατηρησιακά δεδομένα.

Επίσης, το 1961 διατυπώθηκε η Θεωρία των Μπρανς-Ντικ, σύμφωνα με τους οποίους οι μάζες των σωματιδίων είναι σταθερές, ενώ με την πάροδο του χρόνου ελαττώνεται βαθμιαία η σταθερά της παγκόσμιας έλξης G (ή και το αντίστροφο). Έτσι, η θεωρία αυτή διαφοροποιείται ελάχιστα από την θεωρία της Γενικής Σχετικότητας και τελικά παρουσιάζει μόνον ποιοτικές διαφορές, καθώς προβλέπει ταχύτερη διαστολή στα αρχικά στάδια της Μ. Έκρηξης.

Τέλος, ανάμεσα σε άλλες, ενδιαφέρουσα είναι και η Θεωρία του Ντιράκ ή Θεωρία των μεγάλων αριθμών (1937, 1973), σύμφωνα με τον οποίο δημιουργείται συνεχώς νέα ύλη στο σύμπαν είτε παντού ομοιόμορφα είτε κοντά στην ήδη υπάρχουσα ύλη. Βασίστηκε στην σημαντική παρατήρηση που έκανε, πως υπάρχουν τρεις “μεγάλοι αριθμοί” του σύμπαντος που είναι περίπου ίσοι μεταξύ τους, δηλαδή: α) ο λόγος της ηλεκτρικής δύναμης μεταξύ πρωτονίου και ηλεκτρονίου προς την βαρυτική δύναμη μεταξύ τους που είναι περίπου ίσος με 10⁴⁰, β) ο λόγος της ηλικίας του σύμπαντος (η ακτίνα του σύμπαντος σε έτη φωτός) προς την θεμελιώδη μονάδα χρόνου (αυτόν που διανύει το φως πάνω στην ακτίνα του ηλεκτρονίου) είναι πάλι περίπου 10⁴⁰ και γ) η τετραγωνική ρίζα του αριθμού των σωματιδίων του σύμπαντος είναι περίπου 10³⁹, δηλ. πολύ κοντά στο 10⁴⁰. Έτσι θεώρησε ότι αυτή η σύμπτωση αριθμών τόσο διαφορετικής φύσεως δεν μπορεί να είναι τόσο τυχαία, αλλά εκφράζει κάποιο φυσικό νόμο στον οποίο αυτοί υπακούουν. Και το αποτέλεσμα που επιφέρουν είναι ότι η σταθερά της παγκόσμιας έλξης G θα πρέπει να μεταβάλλεται με τον χρόνο σύμφωνα με μία τιμή. Όμως τελικά αποδεικνύεται ότι η τιμή αυτή δεν συμφωνεί με τα παρατηρησιακά δεδομένα, ενώ διαφέρει σημαντικά και η ηλικία του σύμπαντος που προκύπτει από την θεωρία αυτή, η οποία τελικά δέχθηκε ως αφετηρία του σύμπαντος την μεγάλη έκρηξη.

3.22. Η ανθρωπική αρχή

Σχετικά με την σύμπτωση των “μεγάλων αριθμών” έκανε έρευνα και ο Άγγλος αστροφυσικός Άρθουρ Έντινγκτον, αλλά δεν οδήγησε σε κάποια πειστική ερμηνεία στην προσπάθειά του για μια “θεωρία του παντός”. Όμως, ο Αυστραλός Μπράνντον Κάρτερ παρατήρησε, το 1974, πως αν δεν υπήρχε η σύμπτωση αυτή, αν δηλ. οι νόμοι του σύμπαντος ήταν διαφορετικοί, τότε δεν θα υπήρχε ζωή και άνθρωπος στο σύμπαν και οδήγησε στην διατύπωση της λεγόμενης “ανθρωπικής αρχής”, σύμφωνα με την οποία υπάρχει λογική ζωή στο σύμπαν, ότι δηλ. υπάρχει σκοπιμότητα στο σύμπαν και όχι μόνον αναγκαιότητα ή τύχη. Διαπίστωσε ότι η ηλικία του Σύμπαντος δεν είναι τυχαία, αλλά της ίδιας τάξης μεγέθους με την ηλικία των αστέρων του Γαλαξία μας, δηλ. περίπου 10⁴⁰, ενώ αν ήταν πολύ μικρότερη, δεν θα είχαν δημιουργηθεί ακόμη οι αστέρες, κι αν ήταν πολύ μεγαλύτερη, θα είχαν πεθάνει. Υποστήριξε, λοιπόν, ότι "παρ' όλο που ο Κοπέρνικος έδειξε ότι δεν κατέχουμε κάποια προνομιακή θέση στο Σύμπαν, η θέση του ανθρώπινου παρατηρητή είναι αναγκαστικά ιδιαίτερη. Τουλάχιστον από το γεγονός ότι ορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας και χημικού ή φυσικού περιβάλλοντος είναι προϋποθέσεις για την ύπαρξή του".

Σχετικά με αυτή την διαπίστωση, ότι το σύμπαν εμπεριέχει μια ιδιαίτερη φροντίδα για την ύπαρξη ζωής, ο Μιχάλης Παπαγιάννης διατύπωσε το 1978 τις εξής βασικές ιδιότητες των νόμων της φύσης: α) την ικανότητα της ύλης να συνθέτει πολύπλοκες ενώσεις, β) την ύπαρξη πηγών ενέργειας που διαρκούν αρκετά ώστε να επιτρέπουν την εξέλιξη ανώτερων μορφών ζωής και γ) την κατάλληλη μορφή της ενέργειας αυτής ώστε να ευνοεί και όχι να καταστρέφει την ζωή. 

Παρόμοιες παρατηρήσεις έχουν γίνει και από τον Ντικ το 1961, τον Χώκινγκ το 1974, τον Χουήλερ το 1974, τους Ρης και Καρρ το 1979 κ.ά. Ο Ρης παρατήρησε ότι αν οι πυρηνικές δυνάμεις ήταν λίγο μεγαλύτερες, τότε τα πρωτόνια θα δημιουργούσαν διπρωτόνια και δεν θα υπήρχε υδρογόνο, ενώ αν ήταν λίγο μικρότερες, τότε δεν θα μπορούσαν να γίνουν τα διάφορα χημικά στοιχεία, εκτός από το υδρογόνο.

3.23. Συμπερασματικά στοιχεία για το μοντέλο του σύμπαντος

Α. Η επιστήμη της αστροφυσικής έχει διαπιστώσει ως τώρα τα εξής:

1. Η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη (και μάλιστα επιβραδύνεται), γεγονός που μας δίνει την δυνατότητα να βλέπουμε στον νυκτερινό ουρανό την ιστορία του σύμπαντος και όχι τα τελευταία νέα του,

2. Αναλύοντας το φάσμα του φωτός των αστέρων βρίσκουμε, παρά την μεγάλη απόσταση που μας χωρίζει, τι υλικό περιέχουν,

3. Από την μετατόπιση του φάσματος των αστέρων διακρίνουμε αν μας προσεγγίζουν ή αν απομακρύνονται από εμάς και με ποια ταχύτητα,

4. Το σύμπαν στα αρχικά του στάδια περιείχε μόνο υδρογόνο και ήλιο, τα πιο ελαφρά στοιχεία, ενώ τα υπόλοιπα χημικά στοιχεία δημιουργήθηκαν στο εσωτερικό των αστέρων, οπότε όλοι είμαστε φτιαγμένοι από το υλικό των αστέρων και μάλιστα από αυτό που εκτινάχθηκε από την έκρηξη των υπερκαινοφανών αστέρων,

5. Η ύλη του σύμπαντος στο συντριπτικό ποσοστό της, έως και 95%, είναι σκοτεινή και μυστηριώδης, καθώς δεν την βλέπουμε αλλά την αντιλαμβανόμαστε μόνον από τα βαρυτικά της αποτελέσματα πάνω στους αστέρες και τους γαλαξίες.

Β. Ανακεφαλαιώνοντας, λοιπόν, θα λέγαμε ότι σήμερα, όταν αναφερόμαστε στο μοντέλο του σύμπαντος, συμφωνούμε πως ισχύουν τα εξής στοιχεία:

α) η Μεγάλη Έκρηξη είναι σχεδόν βέβαιο ότι πράγματι συνέβη, έστω και ως μια εξελικτική φάση του Πληθωρισμού,

β) η διαστολή του σύμπαντος (και μάλιστα επιταχυνόμενη) είναι αποδεκτή από όλους γενικά και δεν αμφισβητείται,

γ) η ηλικία του πρέπει να είναι περίπου 13,4 δισεκατομμύρια έτη,

δ) το σχήμα του μοιάζει να είναι είτε ανοικτό είτε επίπεδο (ή πολύ κοντά στο επίπεδο), σύμφωνα με σύγχρονους υπολογισμούς της ποσότητας της ύλης που περιέχει και τους σημερινούς ρυθμούς διαστολής,

ε) το μέγεθός του δεν πρέπει να είναι άπειρο, σύμφωνα με τις σύγχρονες θεωρίες, ενώ θεωρείται δυνατό ότι το επίπεδο ή ανοικτό σύμπαν θα μπορούσε να έχει πεπερασμένο μέγεθος αλλά πολύ μεγαλύτερο από την μεγαλύτερη παρατηρήσιμη απόσταση,

στ) η μοίρα του, σύμφωνα με μετρήσεις του ρυθμού διαστολής από απομακρυσμένους υπερκαινοφανείς, φαίνεται να είναι πως θα διαστέλλεται για πάντα και θα καταλήξει στην Μεγάλη Ψύξη,

ζ) η θεωρία του «Πληθωρισμού» μοιάζει αρκετά σοβαρή και έχει πολλές παραλλαγές, από τις οποίες οι περισσότερες απαιτούν ένα επίπεδο σύμπαν. Σύμφωνα, βέβαια, με τον ανοικτό Πληθωρισμό, απαιτείται ένα άπειρο ανοικτό σύμπαν στο εσωτερικό μιας «φυσαλίδας» πεπερασμένου όγκου που αιωρείται μέσα σε κάποιον εξωτερικό χώρο,

η) η κοσμολογική σταθερά λ είναι πλέον πάλι της μόδας, υποδεικνύοντας την ύπαρξη μιας απωστικής δύναμης αντιβαρύτητας, που έχει ως αποτέλεσμα την απώθηση της ύλης και που βοηθάει στην επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, αλλά δεν έχουμε κατανοήσει ακόμα από πού προκύπτει.

Πάντως, το νέο ραδιοτηλεσκόπιο της Τενερίφης συνέλεξε πρόσφατα στοιχεία που επιβεβαιώνουν ότι η καμπυλότητα του χώρου είναι κοντά στο μηδέν, άρα ζούμε σε ένα επίπεδο σύμπαν, ενώ η μάζα του σύμπαντος είναι κατά κύριο λόγο σκοτεινή ύλη.

3.24. Ο τελικός θάνατος του σύμπαντος

Αν και το μέλλον, βέβαια, του διαστελλόμενου σύμπαντος εξαρτάται από το αν η διαστολή του θα διαρκέσει για πάντα, χωρίς αμφισβήτηση εντούτοις οι αστέρες κάποτε θα σβησθούν τελικά, ο Ήλιος θα μετατραπεί σε λευκό νάνο στο μέγεθος της Γης που βαθμιαία θα ψύχεται. Αστέρες περισσότερο συμπαγείς από τον Ήλιο θα ζήσουν ακόμη λιγότερο και θα μετατραπούν είτε σε αστέρες νετρονίου είτε σε μαύρες οπές. Αστέρες λιγότερο συμπαγείς από τον Ήλιο θα ζήσουν περισσότερο αλλά κατόπιν θα καταλήξουν και αυτοί ψυχροί νάνοι. Όταν κάποτε οι απαιτούμενες εφεδρείες ύλης και πυρηνικής ενέργειας εξαντληθούν, η δημιουργία νέων αστέρων στον διαστρικό χώρο, όπως συμβαίνει μέχρι σήμερα, θα σταματήσει πλέον οριστικά, ενώ οι παλαιοί αστέρες θα μετατραπούν είτε σε ψυχρά σώματα είτε σε μαύρες οπές.

Θεωρητικά, η αστρική φάση του σύμπαντος θα ολοκληρωθεί σε 10¹⁴ περίπου χρόνια, μια υπέρμετρα μακρά περίοδος, 10.000 φορές μεγαλύτερη του χρονικού διαστήματος από την έναρξη της δημιουργίας μέχρι σήμερα. Οι αστέρες, επιπλέον, θα εγκαταλείψουν βαθμιαία τους γαλαξίες, των οποίων τα κεντρικά τμήματα θα συσταλθούν με τον καιρό και θα μετατραπούν τελικά σε πολύ συμπαγή αστρικά σμήνη. Οι αστέρες αυτών των σμηνών θα συγκρουστούν μεταξύ τους και θα μετατραπούν σε αέρια, τα οποία στην συνέχεια θα απορροφηθούν από την κεντρική εξαιρετικά συμπαγή μαύρη οπή των γαλαξιών. Έτσι, στο τελικό στάδιο ζωής κάθε γαλαξία, εκτός από την συμπαγή μαύρη οπή, θα προκύψει και μια διασπορά του 90% όλων των αστέρων στα εξωτερικά μέρη του γαλαξία, δηλαδή στον γαλαξιακό χώρο. Θεωρητικά, η γαλαξιακή αποσύνθεση θα ολοκληρωθεί σε 10¹⁹ περίπου χρόνια.

Στην συνέχεια, αποφασιστικός παράγοντας για τις περαιτέρω διαδικασίες θα είναι η αστάθεια της πυρηνικής ύλης. Δηλαδή, αν και το πρωτόνιο θεωρείται ως ένα σωματίδιο με εξαιρετικά μακρά διάρκεια ζωής, εντούτοις είναι ένα ασταθές σωματίδιο. Η θεωρία της μεγάλης ενοποίησης προβλέπει ότι το πρωτόνιο πρέπει να αποσυντεθεί σε 10³² χρόνια περίπου (βλ. κεφ. 6.7). Άρα η πυρηνική ύλη θα διασπασθεί έτσι ολοκληρωτικά και θα εκφυλισθεί εντελώς σε 10³² περίπου χρόνια, όπως επίσης και το αέριο που δημιουργήθηκε από την φθορά των γαλαξιών θα διασπασθεί εντελώς, ενώ ακόμη και οι ψυχροί αστέρες θα εξαφανισθούν και θα μετατραπούν σε φωτόνια και νετρίνα. Το σύμπαν θα περιέχει πλέον μαύρες οπές που προήλθαν από αστέρες και γιγάντιες μαύρες οπές από τις κεντρικές περιοχές γαλαξιών.

Το σύμπαν αυτό, επομένως, ύστερα από αυτή την πλήρη διάσπαση της ύλης στο πολύ μακρινό μέλλον, θα περιέχει κυρίως φωτόνια και νετρίνα, αλλά επιπλέον μαύρες οπές καθώς και ένα πλάσμα ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Θα ακολουθήσει, τότε, μια εποχή η οποία θα κυριαρχείται από μια ψυχρότερη ακτινοβολία. Αλλά, επειδή η πυκνότητα της ακτινοβολίας στο διαστελλόμενο σύμπαν μειώνεται με γρηγορότερο ρυθμό από αυτήν της ύλης, θα ακολουθήσει έπειτα η εποχή όπου θα κυριαρχούν οι μαύρες οπές, καθώς η μάζα τους θα είναι πολύ μεγαλύτερη από το πλάσμα ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Επειδή, όμως, ούτε οι μαύρες οπές είναι αιώνιες, θα μετατραπούν κάποτε και αυτές σε ακτινοβολία, η οποία θα αρχίσει πάλι να κυριαρχεί στο σύμπαν αλλά θα είναι ασύγκριτα ψυχρότερη τώρα. Επειδή, όμως, η πυκνότητα της ακτινοβολίας στο διαστελλόμενο σύμπαν μειώνεται με μεγαλύτερο ρυθμό από αυτήν του πλάσματος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, το αποτέλεσμα θα είναι να επακολουθήσει μια εποχή όπου θα κυριαρχεί αυτό το πλάσμα για 10¹⁰⁰ χρόνια, οπότε θα είναι το μόνο αντικείμενο στον κόσμο, ενώ τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια του θα βρίσκονται διασκορπισμένα στο σύμπαν σε μια φανταστικά χαμηλή πυκνότητα.

Αν, όμως, στο μέλλον του σύμπαντος παρουσιασθούν διαφορετικές φυσικές συνθήκες από αυτές που αναφέρθηκαν, η εξέλιξή του ίσως να είναι τελείως διαφορετική από αυτή που παρουσιάσθηκε εδώ, π.χ. αν συμβεί κάποτε η διάσπαση του κβαντικού κενού και ακολουθήσει η μετατροπή του σε πραγματική ύλη σωματιδίων και αντισωματιδίων, θα δώσει ώθηση σε νέες φυσικές διαδικασίες. Έτσι, δεν αποκλείεται αυτή η μετάβαση να σταματήσει ίσως την διαστολή του σύμπαντος και να ενεργοποιήσει την συστολή του, καθώς το «υπεραληθές» κενό που θα παραχθεί θα χαρακτηρίζεται από ελκτικές δυνάμεις βαρύτητας αντίθετες προς την απωστική βαρύτητα του κβαντικού κενού. Είναι, πάντως πραγματικά απίστευτο το γεγονός ότι η ίδια δύναμη που δημιουργεί τους αστέρες, τους οδηγεί τελικά και στον θάνατο! Ζωή σε λόγου μας…

3.25. Συμπεράσματα για την βαρύτητα

Η βαρύτητα, επομένως, είναι πολύ σημαντική για τον φυσικό κόσμο, αλλά ταυτόχρονα είναι καλυμμένη και με μυστήριο. Ο Νεύτωνας, αφότου ανακάλυψε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης, απέφυγε να διασαφηνίσει το γιατί λειτουργεί έτσι αυτός ο νόμος. Ο Αϊνστάιν προσέφερε μια μεγαλοφυή σύνδεση μεταξύ της βαρύτητας και της γεωμετρίας του χωρόχρονου, ενώ τον ανησυχούσε σοβαρά το γεγονός ότι η σύνδεση αυτή την απομάκρυνε από την υπόλοιπη φυσική. Η περιγραφή του αυτή αφενός εξάλειψε την βαρύτητα ως δύναμη που επηρεάζει την κατάσταση ηρεμίας ή κίνησης ενός σώματος και αφετέρου της έδωσε την ιδιότητα να μεταβάλει την γεωμετρία του χωρόχρονου γύρω από αυτό το σώμα. Έτσι, τα λεγόμενα κύματα βαρύτητας είναι διαταραχές ή ρυτιδώσεις στον καμβά του χώρου από αντικείμενα μεγάλης μάζας. Γι’ αυτό και τα κύματα από μια βαρυτική κατάρρευση μεταδίδονται όχι μέσα από τον χώρο αλλά στον ίδιο τον χώρο, επηρεάζοντας οποιοδήποτε αντικείμενο συναντήσουν. Τα βαρυτικά κύματα καταγράφηκαν για πρώτη φορά στις 12 Σεπτεμβρίου 2015 μέσω του πειράματος LIGO, καθώς επιβεβαιώθηκε ότι μετακίνησαν τους ανιχνευτές κατά ένα χιλιοστό του πλάτους ενός πρωτονίου! Τα κύματα αυτά προέρχονταν από δύο μαύρες τρύπες που συγκρούστηκαν πριν 1,3 δισ. έτη φωτός.