Πέμπτη, 31 Μαΐου 2018

Δ. Σιμόπουλος: Ο Θερμικός Θάνατος του Σύμπαντος

Προδημοσίευση του  βιβλίου του Δ. Σιμόπουλου "Η Άνοιξη του Σύμπαντος"   που θα κυκλοφορήσει το Φθινόπωρο στο Πειράματα Φυσικής με Απλά Υλικά.

Ζούμε σε μιαν εποχή που θα μπορούσε κάλλιστα να θεωρηθεί ως η «Άνοιξη του Σύμπαντος». Μια εποχή κατά την οποία, σε καθημερινή σχεδόν βάση, τα αστρονομικά μας όργανα γίνονται μεγαλύτερα και τελειότερα ενώ οι γνώσεις μας για το Σύμπαν αυξάνουν με ταχύτατο ρυθμό δημιουργώντας συγχρόνως μεγάλα ερωτηματικά όχι μόνο για το μακρινό παρελθόν αλλά και για το απώτατο μέλλον του Σύμπαντος. Πρόκειται για την βάση της σύγχρονης επιστήμης της Κοσμολογίας η οποία εξετάζει την περιεκτικότητα της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν, την μορφή και την δομή που έχει, την ηλικία και την ιστορία του καθώς και την μελλοντική του εξέλιξη. Οι ανακαλύψεις των τελευταίων μερικών χρόνων μας έχουν οδηγήσει στην διαπίστωση ότι όλα τα άστρα, τα νεφελώματα και οι γαλαξίες που υπάρχουν στο Σύμπαν αποτελούν το 5% μόνο των συστατικών του Σύμπαντος. Ανακαλύψαμε επίσης ότι διάχυτα στο Σύμπαν περιλαμβάνονται κι άλλα υλικά που είναι προς το παρόν «αόρατα». Η «σκοτεινή ύλη» (όπως ονομάζεται) που υπάρχει με κάποια μορφή αποτελεί το 27% περίπου των συστατικών του Σύμπαντος αν και δεν μπορούμε μέχρι τώρα να προσδιορίσουμε από τι αποτελείται.

Ακόμη όμως κι αν στην ύλη που βλέπουμε προσθέσουμε και όλα τα υλικά της «σκοτεινής ύλης» πάλι φαίνεται ότι χρειαζόμαστε μια διπλάσια επί πλέον ποσότητα «υλικών» ή «ενέργειας» (αφού ύλη και ενέργεια αποτελούν δύο όψεις του ιδίου αντικειμένου) για να εξηγηθούν οι παρατηρήσεις των κοσμολόγων που μας λένε ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ένα «επίπεδο» Σύμπαν. Ένα Σύμπαν του οποίου η χωροχρονική διαστολή φαίνεται ότι δεν πρόκειται να σταματήσει ποτέ. Γιατί οι μετρήσεις που έγιναν εδώ και 20 περίπου χρόνια μας δείχνουν ότι η διαστολή του Σύμπαντος όχι μόνο δεν επιβραδύνεται λόγω της βαρύτητας των υλικών που περιλαμβάνει (ορατή και σκοτεινή ύλη) αλλά αντίθετα επιταχύνεται από τότε που το Σύμπαν είχε το ήμισυ της ηλικίας που έχει σήμερα.
Γι' αυτό όλο και πιο πολλοί κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν σήμερα την επιτάχυνση αυτή σαν μια πέμπτη δύναμη, ένα απωθητικό είδος «αντιβαρύτητας», που είναι συνδεδεμένη με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού και η οποία προβλέπεται από την σύγχρονη θεωρία πεδίων. Της έχουν μάλιστα δώσει κι ένα ιδιαίτερα ευφάνταστο όνομα αποκαλώντας την «σκοτεινή ενέργεια». Οι κοσμολόγοι υποστηρίζουν ότι η ενέργεια αυτή αποτελεί σήμερα το 68% της υλο-ενέργειας που απαιτείται για να γίνει το Σύμπαν επίπεδο όπως παρατηρείται ότι είναι. Αυτού του είδους η ενέργεια προέρχεται από την εμφάνιση «εικονικών σωματιδίων» τα οποία ξεπηδούν από το «τίποτα» και εξαφανίζονται (εξαϋλώνονται) στιγμιαία προτού προφτάσει κάποιος να τα παρατηρήσει. Αυτό, δηλαδή, που ονομάζουμε «τίποτα» είναι το μηδενικό αποτέλεσμα που βγαίνει από το άθροισμα θετικής και αρνητικής ενέργειας που υπάρχει στο «κενό».
Οι μελέτες αυτές μας έχουν δώσει τα εφόδια εκείνα με τα οποία μπορούμε να διατυπώσουμε σήμερα (με αρκετή μάλιστα βεβαιότητα) τα πρώτα βήματα της γέννησης του Σύμπαντος, την εξελικτική του έκτοτε πορεία, αλλά και τον τρόπο και τον χρόνο του θανάτου του. Γιατί τα πάντα στο Σύμπαν μεταβάλλονται συνεχώς, έστω κι αν αυτή η μεταβολή γίνεται με πολύ αργούς ρυθμούς. Στις επιφάνειες των πλανητών, για παράδειγμα, βουνά και θάλασσες εμφανίζονται και εξαφανίζονται στη διάρκεια χιλιάδων χιλιετιών, ενώ στους ουρανούς, άστρα και πλανήτες γεννιούνται, ζουν και πεθαίνουν στη διάρκεια εκατομμυρίων ή και δισεκατομμυρίων χρόνων. Το κάθε τι, πάντως, στο Σύμπαν έχει μιαν αρχή κι ένα τέλος. Το ίδιο συμβαίνει και με τον κόσμο που μας περιβάλλει, είτε αυτός είναι η Γη μας, είτε ολάκερο το Σύμπαν: τα πάντα είχαν μιαν αρχή και τα πάντα θα φτάσουν σ’ ένα τέλος.
Σήμερα το Σύμπαν έχει ηλικία 13,82 δισεκατομμυρίων ετών και τα γηρατειά του είναι ακόμη πολύ μακριά. Προς το παρόν, δηλαδή, το Σύμπαν βρίσκεται ακόμη στη νεανική του ηλικία κι ο ουρανός είναι γεμάτος με άστρα και γαλαξίες. Γι’ αυτό λεω ότι ζούμε στην Άνοιξη του Σύμπαντος, αφού σήμερα υπάρχουν τρισεκατομμύρια άστρα που λάμπουν στο Σύμπαν, αν και όλα τους θα σβήσουν κάποια στιγμή στο άμεσο μέλλον, και πρώτα απ’ όλα τα πιο γιγάντια και λαμπερά άστρα. Κι άλλα νέα άστρα θα δημιουργούνται στους σπειροειδείς βραχίονες των γαλαξιών και για ένα διάστημα θα λάμψουν κι αυτά όπως κι όσα άλλα προηγήθηκαν. Όμως κι αυτά κάποτε θα πεθάνουν. Κάποτε, κάποια μέρα, το αέριο υδρογόνο που υπάρχει διάχυτο στο Σύμπαν θα εξαντληθεί και η γέννηση νέων άστρων θα σταματήσει.

Αλλά το κοσμικό ρολόι αν και χτυπάει αργά, χτυπάει αμετάκλητα, και το γεγονός ότι όλα τα άστρα σήμερα λάμπουν σημαίνει ότι κάποτε όλα τα άστρα θα πεθάνουν. Θα πεθάνουν ακριβώς επειδή λάμπουν. Η τελική τους μορφή θα είναι πάντα ένα μικρό υπέρπυκνο αστρικό λείψανο: είτε πρόκειται για ένα λευκό νάνο που θα μετατραπεί κάποτε σε μαύρο νάνο, είτε ένα άστρο νετρονίων, ένα πάλσαρ δηλαδή ή, και το πιο παράξενο απ’ όλα, μια μαύρη τρύπα. Τα υλικά που αποτελούν τα αστρικά αυτά λείψανα απομονώνονται, και επειδή το Σύμπαν διαστέλλεται συνεχώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία νέων άστρων. Κι έτσι το μέλλον ολόκληρου του Σύμπαντος είναι ξεκάθαρο, αφού κάποια μέρα, στο πολύ μακρινό μέλλον, το τελευταίο άστρο θα σβήσει κι αυτό όπως κι όλα τα άλλα και μαζί του ολάκερο το Σύμπαν θα σκοτεινιάσει σημαδεύοντας έτσι το τέλος του Σύμπαντος.
Πότε, όμως, θα φτάσει το «περίφημο» αυτό τέλος του Σύμπαντος και με ποιόν τρόπο; Σύμφωνα με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής το τέλος του Σύμπαντος θα έλθει όταν η «Εντροπία» φτάσει στο μέγιστό της. Τον όρο «Εντροπία» χρησιμοποίησε για πρώτη φορά ο Γερμανός Φυσικός Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) το 1865, αφού σύμφωνα με τον νόμο αυτό όπου υπάρχει μια συνεχής απώλεια ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, οι φυσικές διαδικασίες, είναι μη αναστρέψιμες. Μια τέτοια διαδικασία, ακολουθώντας πάντα το βέλος του χρόνου, δεν πάει ποτέ προς τα πίσω αλλά μόνο προς τα εμπρός. Έτσι, οποιαδήποτε φυσική διαδικασία συμβαίνει σε ένα απομονωμένο σύστημα θα πρέπει να συνοδεύεται και από την αύξηση της Εντροπίας, που είναι το μέτρο της τάξεως ενός συστήματος, αφού όσο μεγαλώνει η Εντροπία, τόσο μεγαλώνει και η αταξία του. Μ’ αυτή την έννοια, λοιπόν, όλα τα φυσικά συστήματα που επιδέχονται στατιστική περιγραφή, περιλαμβανομένου και του Σύμπαντος, οδεύουν φυσιολογικά προς την αταξία και το χάος. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, η Εντροπία θα αυξάνεται συνεχώς έως ότου κάποτε δεν θα υπάρχει πια άλλη ενέργεια για να μετατραπεί σε θερμότητα, η Εντροπία θα φτάσει στη μέγιστη τιμή της, το Σύμπαν θα βρίσκεται σε μία κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, οπότε θα επέλθει κι ο λεγόμενος «Θερμικός Θάνατος» του Σύμπαντος όταν η θερμοκρασία του θα έχει φτάσει στο απόλυτο μηδέν.
Η διαδικασία που θα οδηγήσει σ’ έναν τέτοιο θάνατο θα είναι, φυσικά, πάρα πολύ αργή και θα περάσει από διάφορες «Εποχές» ή «Περιόδους». Η Περίοδος του Εκφυλισμού, για παράδειγμα, θα αρχίσει στα 100 τρισεκατομμύρια χρόνια όταν η δημιουργία νέων άστρων και γαλαξιών θα σταματήσει, και θα διαρκέσει από την περίοδο 10 εις την 14 έως τα 10 εις την 40 χρόνια. Στη διάρκεια αυτής της περιόδου τα μόνα αντικείμενα που θα απομείνουν θα είναι τα λείψανα των άστρων: είτε πρόκειται για λευκούς νάνους (με υλικά μέχρι 1,4 ηλιακές μάζες), είτε άστρα νετρονίων (από 1,4 έως 3 ηλιακές μάζες), είτε για μαύρες τρύπες (με πάνω από 3 ηλιακές μάζες). Θα υπάρχουν, επίσης, και μεμονωμένοι πλανήτες, πλανητοειδείς, κομήτες και καφέ νάνοι, όλοι τους διασκορπισμένοι εδώ κι εκεί. Ακόμη, όμως, και οι λευκοί νάνοι θα μετατραπούν σε μαύρους νάνους καθώς με την πάροδο του χρόνου θα χάνουν συνεχώς την θερμότητά τους.
Στο μεταξύ, σε δέκα εκατομμύρια τρισεκατομμύρια χρόνια (10 εις την 19) όλοι οι γαλαξίες θα έχουν χάσει τα νεκρά τους άστρα που θα έχουν έτσι διασκορπιστεί στον διαγαλαξιακό χώρο, ενώ οι γιγάντιες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών θα απορροφήσουν σιγά-σιγά όλα όσα θα έχουν απομείνει. Τελικά όλα τα σμήνη και τα υπερσμήνη των γαλαξιών που υπάρχουν σήμερα θα έχουν κυριολεκτικά διασκορπιστεί στους «πέντε ανέμους» σε περίπου 100 δισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων χρόνια από σήμερα (10 εις την 23). Στα επόμενα τρισεκατομμύρια χρόνια (10 εις την 31) τα μισά πρωτόνια θα έχουν διασπαστεί σε ακτινοβολία γάμα και λεπτόνια, ενώ στα 10 εις την 40 χρόνια θα έχουν διασπαστεί και τα υπόλοιπα. Η διάσπαση των πρωτονίων θα μεταβάλει τις υπολειπόμενες ποσότητες διαστρικού αερίου σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια τα οποία με τη σειρά τους θα μετατραπούν σε φωτόνια.
Οποιαδήποτε ποσότητα ύλης κι αν έχει απομείνει θα βρίσκεται φυλακισμένη στις μαύρες τρύπες, οπότε θα αρχίσει μία νέα περίοδος, η Εποχή των Μαύρων Τρυπών, που θα διαρκέσει μέχρι τα 10 εις την 100 χρόνια (η μονάδα ακολουθούμενη από 100 μηδενικά). Στο τέλος εκείνης της εποχής ακόμη και οι Μαύρες Τρύπες δεν θα υπάρχουν πια αφού όλες τους θα έχουν προ πολλού «εξατμιστεί». Γιατί ακόμη και οι μεγαλύτερες Μαύρες Τρύπες με μάζα όση κι ένας ολάκερος γαλαξίας θα «εξατμιστούν» λόγω της ακτινοβολίας «Hawking».
Στο μεταξύ το Σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται εκθετικά αλλά η θερμοκρασία που θα επικρατεί τότε θα είναι μερικά τρισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν, ελάχιστα δηλαδή πάνω από το απόλυτο μηδέν. Στο τέλος της επόμενης περιόδου (10 εις την 150) δεν θα έχει απομείνει ούτε μία μαύρη τρύπα και τα υλικά που ήσαν φυλακισμένα στο εσωτερικό τους θα έχουν όλα μετατραπεί σε φωτόνια και λεπτόνια. Μετά από την περίοδο αυτή τα πράγματα θα αργούν να εξελιχθούν όλο και πιο πολύ και σε μία χρονική περίοδο ενός αριθμού ετών που αρχίζει με την μονάδα ακολουθούμενη από 1.000 μηδενικά η θερμοκρασία του Σύμπαντος θα φτάσει σχεδόν στο απόλυτο μηδέν ποτέ όμως μέχρι εκείνο το απλησίαστο σημείο. Κι έτσι, αργά αλλά σταθερά, θα σημάνει και το τέλος του Σύμπαντος ενώ η εκθετική διαστολή του χώρου φαίνεται ότι θα συνεχιστεί απτόητη σε ένα Σύμπαν που θα είναι άδειο από οποιαδήποτε ενέργεια και με την Εντροπία στο μέγιστο της τιμής της!

Ο Γαλαξίας μας βρίσκεται τώρα στην άνοιξη της ζωής του, μια άνοιξη γεμάτη με τη δόξα και το μεγαλείο των λευκών και γαλάζιων άστρων σαν τον Σείριο και τον Βέγα αλλά και άστρων σαν τον Ήλιο μας. Η ενήλικη όμως ιστορία του Σύμπαντος θα αρχίσει σε αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα, όταν τα άστρα αυτά θα πάψουν να υπάρχουν. Και θα είναι μια ιστορία φωτισμένη μόνο από τα μικρά κόκκινα και υπέρυθρα άστρα, που είναι σχεδόν αόρατα στα μάτια μας. Και πάλι όμως θα πρόκειται για ένα όμορφο Σύμπαν για τα πλάσματα που θα το κατοικούν τότε. Πλάσματα που θα έχουν προσαρμοστεί στο ίδιο αλλά ταυτόχρονα και διαφορετικό με το δικό μας Σύμπαν.
Αυτού του είδους τα «Πλάσματα» θα μετρούν το χρόνο πίσω τους, όχι με τα εκατομμύρια χρόνια των γεωλογικών μας εποχών, ούτε με τα δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής ενός άστρου, αλλά με χρόνια της τάξης των τρισεκατομμυρίων. Και τότε θα έχουν αρκετό χρόνο στη διάθεσή τους, στους ατέλειωτους αιώνες τους, για να ερευνήσουν και να μάθουν. Δεν θα είναι σαν θεοί, γιατί το μυαλό μας δεν θα μπορούσε να φανταστεί την ύπαρξη τέτοιων θεών που θα μπορούσαν να κατέχουν τη δύναμη που εκείνοι θα έχουν. Παρ’ όλα αυτά, όμως, θα μας ζηλεύουν! Θα μας ζηλεύουν γιατί γνωρίσαμε το Σύμπαν όταν ήταν ακόμη μωρό. Θα μας ζηλεύουν επειδή πράγματι ζούμε στην Άνοιξη του Σύμπαντος!

του Δ. Σιμόπουλου Επίτιμου διευθυντή Ευγενιδείου Πλανηταρίου

Ευχαριστώ θερμά τον κορυφαίο Αστροφυσικό Διονύση Σιμόπουλο για την τιμή που μου κάνει να δημοσιευθεί ο Θερμικός Θάνατος στο Πειράματα Φυσικής με Απλά Υλικά.
Περιμένω πώς και πώς να διαβάσω και το βιβλίο!



Άλλα θέματα

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...