Χ. Βάρβογλης : Ανατροπή στην Κοσμολογία;

του καθηγητή του ΑΠΘ Χ. Βάρβογλη για το Πειράματα Φυσικής με Απλά Υλικά

Τον περασμένο μήνα εμφανίστηκε στα διεθνή μέσα ενημέρωσης μια είδηση αστρονομικού ενδιαφέροντος, που παρόλο ότι ήταν εξαιρετικά σημαντική δεν έλαβε την προβολή που πιστεύω ότι θα της άξιζε. Μια ιταλο-αγγλική ερευνητική ομάδα δημοσίευσε αποτελέσματα, σύμφωνα με τα οποία το σύμπαν έχει θετική καμπυλότητα και άρα είναι κλειστό και πεπερασμένο. Αν αυτό το συμπέρασμα επιβεβαιωθεί από άλλη ανεξάρτητη έρευνα, θα σημάνει την πλήρη ανατροπή των όσων διδάσκουμε σήμερα, ότι δηλαδή το σύμπαν έχει μηδενική καμπυλότητα και άρα είναι επίπεδο και άπειρο. Σήμερα γνωρίζουμε από παρατηρήσεις ότι, μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν διαστέλλεται. Αν είναι επίπεδο θα συνεχίσει να διαστέλλεται επ’ άπειρον. Αν είναι κλειστό κάποτε θα σταματήσει να διαστέλλεται και θα αρχίσει να συστέλλεται, έως ότου καταλήξει σε μια κατάσταση ανάλογη με αυτή της Μεγάλης Έκρηξης.
Η Κοσμολογία, δηλαδή ο κλάδος της Αστρονομίας που ασχολείται με τη δημιουργία και την εξέλιξη του σύμπαντος, είναι μια πολύ νέα επιστήμη, μιας που μόλις πριν από δύο χρόνια συμπλήρωσε έναν αιώνα ζωής. Ο λόγος είναι ότι, πριν από τη διατύπωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) από τον Αϊνστάιν, η διαθέσιμη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα δεν μπορούσε να εξηγήσει την ύπαρξη του σύμπαντος. Ο λόγος είναι ότι εξαιτίας της βαρυτικής έλξης μεταξύ αστέρων, αυτοί θα έπρεπε γρήγορα να «πέσουν» στο κέντρο του σύμπαντος και να συνθλιβούν. Η ΓΘΣ είναι μια θεωρία βαρύτητας που παρακάμπτει αυτό το πρόβλημα. Οι εξισώσεις όμως που περιγράφουν αυτή τη θεωρία είναι ουσιαστικά αδύνατο να λυθούν αναλυτικά, εκτός από έναν πολύ μικρό αριθμό απλών περιπτώσεων. Έτσι οι κοσμολόγοι είναι αναγκασμένοι σήμερα να κάνουν δύο σημαντικές απλοποιητικές παραδοχές, για να καταφέρουν να λύσουν τις εξισώσεις και να φτάσουν σε κάποιο χειροπιαστό αποτέλεσμα: το σύμπαν είναι (α) ομογενές και (β) ισότροπο. Ομογενές σημαίνει ότι όπου κι αν βρεθούμε, το σύμπαν φαίνεται το ίδιο. Αυτό έχει για συνέπεια την υπόθεση ότι δεν υπάρχουν συγκεντρώσεις μάζας μεγάλης κλίμακας αλλά ότι η ύλη έχει συνεχή κατανομή. Αυτή η υπόθεση της ομογένειας σε μεγάλες κλίμακες όχι μόνο δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά αλλά έχει και τη δυσκολία της ύπαρξης των μελανών οπών, που είναι ουσιαστικά «τρύπες» στον χώρο και στον χρόνο που φαίνεται να καταστρέφουν την ομογένεια. Ισότροπο σημαίνει ότι το σύμπαν φαίνεται το ίδιο προς όποια κατεύθυνση κι αν κοιτάξουμε, οπότε δεν υπάρχει προτιμητέα κατεύθυνση στον χώρο. Με βάση αυτές τις παραδοχές αποδεικνύεται ότι η καμπυλότητα του σύμπαντος, όπως ορίζεται από τη ΓΘΣ, ικανοποιεί μια από τις τρεις ακόλουθες συνθήκες: είτε είναι θετική, είτε είναι αρνητική είτε είναι ακριβώς μηδέν. Η έννοια της καμπυλότητας στις τέσσερις διαστάσεις που χρησιμοποιεί η ΓΘΣ είναι δύσκολο να γίνει αντιληπτή εποπτικά, αλλά υπάρχουν τα τριδιάστατα ανάλογα που είναι πολύ παραστατικά: θετική καμπυλότητα έχει η γνωστή μας σφαίρα, αρνητική μια σέλλα που εκτείνεται στο άπειρο και μηδενική το επίπεδο που γνωρίζουμε από την ευκλείδεια γεωμετρία.
Η σημαντικότερη παρατήρηση κοσμολογικής σημασίας, που έγινε στη δεκαετία του 1920, είναι ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Αν επεκτείνουμε αυτή τη διαστολή προς το παρελθόν, βρίσκουμε ότι το σύμπαν ξεκίνησε από μια κατάσταση πολύ μεγάλης πυκνότητας, φαινόμενο που χαρακτηρίζουμε με τον όρο Μεγάλη Έκρηξη. Με αυτό το δεδομένο, οι γεωμετρικές ιδιότητες του σύμπαντος που ανέφερα μεταφράζονται στις εξής πιο ενδιαφέρουσες φυσικές ιδιότητες: η θετική καμπυλότητα σημαίνει ότι το σύμπαν θα φθάσει σε μια κατάσταση μέγιστης διαστολής πριν αρχίσει να καταρρέει και πάλι σε μια κατάσταση μεγάλης πυκνότητας, ενώ η μηδενική και η αρνητική καμπυλότητα αντιστοιχούν σε αιώνια διαστολή. Δηλαδή στην πρώτη περίπτωση έχουμε μια ατέρμονη ακολουθία διαστολών-συστολών ενώ στη δεύτερη ένα μοναδικό γεγονός. Την εποχή που ήμουν φοιτητής διδασκόμαστε και τα τρία ενδεχόμενα, μιας και ο διαχωρισμός τους δεν ήταν δυνατός με τις τότε διαθέσιμες παρατηρήσεις. Στη συνέχεια όμως πραγματοποιήθηκαν τρεις διαστημικές αποστολές-ορόσημα, οι COBE, WMAP και Plank, οι οποίες κατέγραψαν με μεγάλη ακρίβεια την ένταση της απομένουσας ακτινοβολίας της Μεγάλης Έκρηξης, την οποία παρατηρούμε από διάφορες κατευθύνσεις. Οι αποστολές αυτές μας έδωσαν τους πολύ γνωστούς χάρτες με τις πράσινες, κίτρινες και κόκκινες κηλίδες, στους οποίους η τιμή της έντασης της ακτινοβολίας έχει αποδοθεί με χρώματα.
Η στατιστική μελέτη αυτών των χαρτών, δηλαδή το πόσες κηλίδες υπάρχουν για κάθε δεδομένη διάμετρό τους, έδωσε το σημαντικό αποτέλεσμα ότι, μέσα στα περιθώρια στατιστικού σφάλματος μικρότερου από 0.5%, το σύμπαν είναι επίπεδο. Αυτό έλυνε και ένα σημαντικό πρόβλημα που απασχολούσε τους θεωρητικούς αστροφυσικούς: πού είχαν άραγε βρεθεί η απαιτούμενη μάζα και ενέργεια για τη δημιουργία του σύμπαντος; Το επίπεδο σύμπαν έχεις μάζα-ενέργεια (θυμηθείτε ότι E = mc­2) ακριβώς ίση με μηδέν. Με απλά λόγια, η ύλη συν την κινητική ενέργειά της ισούνται με το αντίθετο της δυναμικής ενέργειας. Άρα το σύμπαν δημιουργήθηκε «από το τίποτα» και έτσι αποφεύγονται δύσκολα φιλοσοφικά ερωτήματα. Αρχίσαμε λοιπόν να διδάσκουμε στους φοιτητές μας αυτό το ωραίο συμπέρασμα και θεωρούσαμε ότι το πρόβλημα της καμπυλότητας του σύμπαντος είχε λυθεί οριστικά, έως ότου η ιταλο-αγγλική ομάδα ήρθε να ταράξει τα νερά. Τα μέλη της αντί να κάνουν στατιστική ανάλυση των παρατηρήσεων των τριών διαστημικών αποστολών προχώρησαν αντίστροφα σε μια προσομοίωση των πειραμάτων, δηλαδή αναζήτησαν τι είδους εικόνα θα παρατηρούσαμε αν το σύμπαν ήταν κλειστό, ανοικτό ή επίπεδο. Με μεγάλη τους έκπληξη είδαν ότι τα δεδομένα της αποστολής Planck ταιριάζουν καλύτερα σε ένα κλειστό σύμπαν με θετική καμπυλότητα, με πιθανότητα λάθους της τάξης του 0.2%! Είναι λοιπόν το σύμπαν κλειστό και εμείς τόσον καιρό διδάσκαμε λάθος μοντέλο; Μόνο μια νέα καλύτερη μελέτη θα απαντήσει σε αυτό το ερώτημα. Και αν επιβεβαιώσει τα σημερινά αποτελέσματα, θα χαρίσει σε μερικά από τα μέλη της ιταλο-αγγλικής ομάδας το βραβείο Νομπέλ.

του καθηγητή του ΑΠΘ Χ. Βάρβογλη για το Πειράματα Φυσικής με Απλά Υλικά

Ευχαριστώ θερμά τον Χ. Βάρβογλη για το άρθρο και την μεγάλη τιμή να δημοσιευθεί στην ιστοσελίδα μου.

Πηγή φωτογραφιών https://www.quantamagazine.org/

Το άρθρο του NATURE εδώ

https://www.nature.com/articles/s41550-019-0906-9