Big Bang: Πώς ξεκίνησαν όλα; (με απλά λόγια!)
Τι είναι το Big Bang που… ταλαιπωρεί μέχρι σήμερα την επιστημονική κοινότητα και ποιες οι υπάρχουσες θεωρίες γύρω από αυτή τη «μεγάλη έκρηξη»;
του Δημήτρη Γεωργιακώδη *
Ένα από τα βασικά θέματα που απασχολούν την επιστημονική έρευνα τη φιλοσοφία και τη θεολογία είναι η απάντηση στο ερώτημα: «Πώς ξεκίνησαν και πώς εξελίχθηκαν όλα όσα βλέπουμε (και δεν βλέπουμε) γύρω μας;».
Η απάντηση δεν έχει ακόμα δοθεί και δεν ξέρουμε πότε και αν θα δοθεί. Παρόλα αυτά υπάρχουν θεωρίες που επιχειρούν να δώσουν κάποιες απαντήσεις. Στο σύντομο αυτό σημείωμα θα ασχοληθούμε με την επιστημονική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, που θεωρείται από πολλούς ως η πληρέστερη θεωρία εξέλιξης του Σύμπαντος.
Ο όρος «Μεγάλη Έκρηξη» πρωτοαναφέρθηκε από τον Φρεντ Χόιλ στη διάρκεια της τελευταίας, από μια σειρά πέντε διαλέξεων, για το Τρίτο πρόγραμμα της ραδιοφωνίας του BBC το 1950. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο Χόιλ ήταν ο σημαντικότερος επικριτής του μοντέλου και χρησιμοποίησε περιφρονητικά τον όρο με σκοπό να γελοιοποιήσει την ανταγωνιστική, προς τη δική του, θεωρία. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.
Το αιώνιο και στατικό Σύμπαν του Αϊνστάιν
Στις αρχές του εικοστού αιώνα η άποψη που υπήρχε για το Σύμπαν ήταν ότι είναι αιώνιο και στατικό. Την εποχή εκείνη ο Αϊνστάιν ανέπτυσσε τη θεωρία του για τη Γενική Σχετικότητα (1915). Αυτή έδωσε μια θεωρία για τη βαρύτητα που ήταν σωστότερη από την αντίστοιχη του Νεύτωνα. Με τη νέα αυτή θεωρία ο Αϊνστάιν μελέτησε το Σύμπαν και στην εύλογη διαπίστωση ότι η βαρυτική έλξη θα προκαλούσε την κατάρρευση του Σύμπαντος, απάντησε με την εισαγωγή στις εξισώσεις του μιας κοσμολογικής σταθεράς, που θα απέτρεπε την κατάρρευση αυτή, δημιουργώντας ένα φαινόμενο αντιβαρύτητας. Η τελική εικόνα θα ταίριαζε στο μοντέλο του στατικού και αιώνιου σύμπαντος.
Στο μεταξύ το 1922, ο Σοβιετικός Αλεξάντερ Φριντμαν χρησιμοποιώντας τη θεωρία του Αϊνστάιν, χωρίς όμως τη κοσμολογική σταθερά, δημιούργησε το μοντέλο ενός δυναμικού και εξελισσόμενου σύμπαντος, το οποίο ή θα διαστέλλεται επ’άπειρον, ή η βαρύτητα θα σταματούσε τη διαστολή και στη συνέχεια το σύμπαν θα συστελλόταν μέχρι την ολοκληρωτική κατάρρευση, ή τέλος, το σύμπαν θα διαστελλόταν με επιβραδυνόμενο ρυθμό, χωρίς να φτάσει στο άπειρο ή να καταρρεύσει σε ένα σημείο. Σε κάθε περίπτωση το σύμπαν δεν θα ήταν στατικό.
Αγνοώντας το μοντέλλο του Φρίντμαν, ο βέλγος ιερέας και κοσμολόγος Ζόρζ Λεμέτρ, προχώρησε ακόμη παραπέρα. Βασισμένος και αυτός στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, προχώρησε στα μονοπάτια του Φρίντμαν και κατέληξε ότι αν το σύμπαν είναι πραγματικά διαστελλόμενο, τότε στο απώτερο παρελθόν θα πρέπει να ήταν συμπιεσμένο σε μια μικροσκοπική περιοχή. Με άλλα λόγια η γενική σχετικότητα δημιουργούσε μια στιγμή δημιουργίας. Τηρώντας τις αναλογίες με τη ραδιενεργό διάσπαση, κατά την οποία ένας ασταθής πυρήνας διασπάται εκπέμποντας σωματίδια, ελαφρύτερους πυρήνες και ακτινοβολία, ο Λεμέτρ πρότεινε, το 1927, την ιδέα ενός αρχέγονου ατόμου, το οποίο περιείχε τα πάντα και το οποίο ξαφνικά διασπάστηκε δημιουργώντας όλη την ύλη του σύμπαντος. Η επιστημονική κοινότητα της εποχής και ο Αϊνστάιν ό ίδιος υποδέχθηκαν τις νέες αυτές απόψεις με απαξίωση. Η έλλειψη πειραματικών δεδομένων και η αυθεντία του Αϊνστάιν οδήγησαν τους επιστήμονες στην υποστήριξη του μοντέλου για το αιώνια στατικό σύμπαν. Η στάση όμως αυτή έμελε να αλλάξει πολύ γρήγορα.
Οι παρατηρήσεις του Χαμπλ
Το 1929 ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ, μελετώντας το φως από μακρυνούς γαλαξίες, απέδειξε ότι αυτοί απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες που είναι ανάλογες της απόστασής τους. Ας θυμηθούμε εδώ ότι το φως από αυτούς τους γαλαξίες ταξιδεύει πάρα πολλά χρόνια μέχρι να φτάσει στη γη και μεταφέρει πληροφορίες για τη στιγμή που εκπέμφθηκε. Αν λοιπόν οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς, τότε κάποια στιγμή στο παρελθόν όλοι οι γαλαξίες θα συνέπιπταν με εμάς. Ήταν το πρώτο πειραματικό αποτέλεσμα που αποτελούσε ένδειξη για την ύπαρξη μιας μεγάλης έκρηξης. Η εξέλιξη αυτή ανάγκασε τον Αϊνστάιν να υποστηρίξει πλέον την ιδέα μιας μεγάλης έκρηξης, ενώ η επιστημονική κοινότητα συνέχισε να υποστηρίζει στη πλειοψηφία της το μοντέλο του αιώνιου, στατικού σύμπαντος.
Η πρόοδος της επιστήμης στον τομέα της Ατομικής και Πυρηνικής φυσικής βοήθησε τους Τζόρτζ Γκάμοφ, Ραλφ Άλφερ και Ρόμπερτ Χέρμαν τη δεκαετία του 1940, να συμπληρώσουν το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης χρησιμοποιώντας την ιδέα της πυρηνικής σύντηξης. Σύμφωνα με αυτήν, ελαφρείς πυρήνες ενώνονται σε συνθήκες μεγάλης πίεσης και θερμοκρασίας για να σχηματίσουν βαρύτερους. Έτσι εξήγησαν την ύπαρξη υδρογόνου (90%) και ηλίου (9%) που υπάρχει σήμερα στο σύμπαν. Θεώρησαν επίσης ότι το νεαρό σύμπαν τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του περιείχε μεγάλες ποσότητες ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων, από τα οποία μπορούσαν να δημιουργηθούν οι πυρήνες. Το διαστελλόμενο σύμπαν συνέχισε να ψύχεται και να δημιουργεί κατά τη διαδικασία της διαστολής το χώρο και τον χρόνο.
Όσο η θερμοκρασία έπεφτε, τόσο ευκολότερο ήταν για τους πυρήνες να τραβήξουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και να δημιουργήσουν τα πρώτα άτομα. Τώρα το σύμπαν γίνεται διαφανές (εφόσον τα σωμάτια σχημάτισαν άτομα) και το φως μπορεί πλέον να το διαπερνά. Η ακτινοβολία αυτή, που υπολογίζεται να μπόρεσε να εκπεμφθεί 300.000 χρόνια μετά τη δημιουργία και που ανήκει στα μικροκύματα ανιχνεύθηκε τυχαία από τους Άρνο Πενζίας και Ρόμπερτ Ουίλσον το 1964. Οι παρατηρήσεις τους ταίριαζαν με τις προβλέψεις των Γκάμοφ, Άλφερ και Χέρμαν (1948) σύμφωνα με τις οποίες η σημερινή θερμοκρασία του διαστελλόμενου σύμπαντος πρέπει να είναι -268 βαθμοί Κελσίου (5Κ), αν και όταν όλα ξεκίνησαν ήταν δισεκατομύρια των δισεκατομυρίων βαθμοί. Η εικόνα αρχίζει και γίνεται πιο καθαρή (Σχ.1):
Σχήμα 1 (από το βιβλίο: «Η βιογραφία του Σύμπαντος, Δ.Π.Σιμόπουλος, ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ 2008.)
• Όλα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Έκρηξη. Στην αρχή υπήρχε μια πυκνή «σούπα» στοιχειωδών σωματιδίων. Η θερμοκρασία ήταν τεράστια.
• Το διαστελλόμενο σύμπαν κρυώνει. Εμφανίζονται τα σωμάτια που δημιουργούν τα πρωτόνια και νετρόνια (κουάρκς).
• Ενώ η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει εμφανίζονται τα ηλεκτρόνια και τα άλλα λεπτόνια.
• Δημιουργούνται οι πυρήνες υδρογόνου και ηλίου (από σύντηξη) και εμφανίζονται τα φωτόνια.
• Δημιουργούνται τα πρώτα άτομα και το σύμπαν γίνεται διαπερατό από το φως.
• Δημιουργούνται τα πρώτα άστρα και οι γαλαξίες. Στους πυρήνες των μεγάλων άστρων δημιουργούνται, πάντα με σύντηξη, τα βαρύτερα στοιχεία.
• Το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται αλλά όπως έδειξαν πρόσφατες μετρήσεις, με επιταχυνόμενο ρυθμό!
Και η έρευνα συνεχίζεται. Στο CERN προσπαθούν να δημιουργήσουν τις συνθήκες που επικρατούσαν τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης, ώστε να δώσουν απαντήσεις σε ερωτήματα που μένουν ακόμη αναπάντητα. Μερικά από αυτά είναι τα παρακάτω:
• Γιατί, ενώ αρχικά η ύλη και η αντι-ύλη δημιουργήθηκαν σε ίσες ποσότητες, επικράτησε η ύλη;
• Η ορατή μάζα του σύμπαντος αντιστοιχεί στο 4% μόνο της μάζας που υπάρχει! Η υπόλοιπη είναι σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Τι είναι αυτή η ύλη και η ενέργεια;
• Γιατί το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό;
* Ο Δημήτρης Γεωργιακώδης είναι Διδάκτωρ Φυσικής του Πανεπιστημίου Sussex και καθηγητής στο IB της Σχολής Μωραΐτη.
Ένα από τα βασικά θέματα που απασχολούν την επιστημονική έρευνα τη φιλοσοφία και τη θεολογία είναι η απάντηση στο ερώτημα: «Πώς ξεκίνησαν και πώς εξελίχθηκαν όλα όσα βλέπουμε (και δεν βλέπουμε) γύρω μας;».
Η απάντηση δεν έχει ακόμα δοθεί και δεν ξέρουμε πότε και αν θα δοθεί. Παρόλα αυτά υπάρχουν θεωρίες που επιχειρούν να δώσουν κάποιες απαντήσεις. Στο σύντομο αυτό σημείωμα θα ασχοληθούμε με την επιστημονική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, που θεωρείται από πολλούς ως η πληρέστερη θεωρία εξέλιξης του Σύμπαντος.
Ο όρος «Μεγάλη Έκρηξη» πρωτοαναφέρθηκε από τον Φρεντ Χόιλ στη διάρκεια της τελευταίας, από μια σειρά πέντε διαλέξεων, για το Τρίτο πρόγραμμα της ραδιοφωνίας του BBC το 1950. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο Χόιλ ήταν ο σημαντικότερος επικριτής του μοντέλου και χρησιμοποίησε περιφρονητικά τον όρο με σκοπό να γελοιοποιήσει την ανταγωνιστική, προς τη δική του, θεωρία. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.
Το αιώνιο και στατικό Σύμπαν του Αϊνστάιν
Στις αρχές του εικοστού αιώνα η άποψη που υπήρχε για το Σύμπαν ήταν ότι είναι αιώνιο και στατικό. Την εποχή εκείνη ο Αϊνστάιν ανέπτυσσε τη θεωρία του για τη Γενική Σχετικότητα (1915). Αυτή έδωσε μια θεωρία για τη βαρύτητα που ήταν σωστότερη από την αντίστοιχη του Νεύτωνα. Με τη νέα αυτή θεωρία ο Αϊνστάιν μελέτησε το Σύμπαν και στην εύλογη διαπίστωση ότι η βαρυτική έλξη θα προκαλούσε την κατάρρευση του Σύμπαντος, απάντησε με την εισαγωγή στις εξισώσεις του μιας κοσμολογικής σταθεράς, που θα απέτρεπε την κατάρρευση αυτή, δημιουργώντας ένα φαινόμενο αντιβαρύτητας. Η τελική εικόνα θα ταίριαζε στο μοντέλο του στατικού και αιώνιου σύμπαντος.
Στο μεταξύ το 1922, ο Σοβιετικός Αλεξάντερ Φριντμαν χρησιμοποιώντας τη θεωρία του Αϊνστάιν, χωρίς όμως τη κοσμολογική σταθερά, δημιούργησε το μοντέλο ενός δυναμικού και εξελισσόμενου σύμπαντος, το οποίο ή θα διαστέλλεται επ’άπειρον, ή η βαρύτητα θα σταματούσε τη διαστολή και στη συνέχεια το σύμπαν θα συστελλόταν μέχρι την ολοκληρωτική κατάρρευση, ή τέλος, το σύμπαν θα διαστελλόταν με επιβραδυνόμενο ρυθμό, χωρίς να φτάσει στο άπειρο ή να καταρρεύσει σε ένα σημείο. Σε κάθε περίπτωση το σύμπαν δεν θα ήταν στατικό.
Αγνοώντας το μοντέλλο του Φρίντμαν, ο βέλγος ιερέας και κοσμολόγος Ζόρζ Λεμέτρ, προχώρησε ακόμη παραπέρα. Βασισμένος και αυτός στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, προχώρησε στα μονοπάτια του Φρίντμαν και κατέληξε ότι αν το σύμπαν είναι πραγματικά διαστελλόμενο, τότε στο απώτερο παρελθόν θα πρέπει να ήταν συμπιεσμένο σε μια μικροσκοπική περιοχή. Με άλλα λόγια η γενική σχετικότητα δημιουργούσε μια στιγμή δημιουργίας. Τηρώντας τις αναλογίες με τη ραδιενεργό διάσπαση, κατά την οποία ένας ασταθής πυρήνας διασπάται εκπέμποντας σωματίδια, ελαφρύτερους πυρήνες και ακτινοβολία, ο Λεμέτρ πρότεινε, το 1927, την ιδέα ενός αρχέγονου ατόμου, το οποίο περιείχε τα πάντα και το οποίο ξαφνικά διασπάστηκε δημιουργώντας όλη την ύλη του σύμπαντος. Η επιστημονική κοινότητα της εποχής και ο Αϊνστάιν ό ίδιος υποδέχθηκαν τις νέες αυτές απόψεις με απαξίωση. Η έλλειψη πειραματικών δεδομένων και η αυθεντία του Αϊνστάιν οδήγησαν τους επιστήμονες στην υποστήριξη του μοντέλου για το αιώνια στατικό σύμπαν. Η στάση όμως αυτή έμελε να αλλάξει πολύ γρήγορα.
Οι παρατηρήσεις του Χαμπλ
Το 1929 ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ, μελετώντας το φως από μακρυνούς γαλαξίες, απέδειξε ότι αυτοί απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες που είναι ανάλογες της απόστασής τους. Ας θυμηθούμε εδώ ότι το φως από αυτούς τους γαλαξίες ταξιδεύει πάρα πολλά χρόνια μέχρι να φτάσει στη γη και μεταφέρει πληροφορίες για τη στιγμή που εκπέμφθηκε. Αν λοιπόν οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς, τότε κάποια στιγμή στο παρελθόν όλοι οι γαλαξίες θα συνέπιπταν με εμάς. Ήταν το πρώτο πειραματικό αποτέλεσμα που αποτελούσε ένδειξη για την ύπαρξη μιας μεγάλης έκρηξης. Η εξέλιξη αυτή ανάγκασε τον Αϊνστάιν να υποστηρίξει πλέον την ιδέα μιας μεγάλης έκρηξης, ενώ η επιστημονική κοινότητα συνέχισε να υποστηρίζει στη πλειοψηφία της το μοντέλο του αιώνιου, στατικού σύμπαντος.
Η πρόοδος της επιστήμης στον τομέα της Ατομικής και Πυρηνικής φυσικής βοήθησε τους Τζόρτζ Γκάμοφ, Ραλφ Άλφερ και Ρόμπερτ Χέρμαν τη δεκαετία του 1940, να συμπληρώσουν το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης χρησιμοποιώντας την ιδέα της πυρηνικής σύντηξης. Σύμφωνα με αυτήν, ελαφρείς πυρήνες ενώνονται σε συνθήκες μεγάλης πίεσης και θερμοκρασίας για να σχηματίσουν βαρύτερους. Έτσι εξήγησαν την ύπαρξη υδρογόνου (90%) και ηλίου (9%) που υπάρχει σήμερα στο σύμπαν. Θεώρησαν επίσης ότι το νεαρό σύμπαν τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του περιείχε μεγάλες ποσότητες ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων, από τα οποία μπορούσαν να δημιουργηθούν οι πυρήνες. Το διαστελλόμενο σύμπαν συνέχισε να ψύχεται και να δημιουργεί κατά τη διαδικασία της διαστολής το χώρο και τον χρόνο.
Όσο η θερμοκρασία έπεφτε, τόσο ευκολότερο ήταν για τους πυρήνες να τραβήξουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και να δημιουργήσουν τα πρώτα άτομα. Τώρα το σύμπαν γίνεται διαφανές (εφόσον τα σωμάτια σχημάτισαν άτομα) και το φως μπορεί πλέον να το διαπερνά. Η ακτινοβολία αυτή, που υπολογίζεται να μπόρεσε να εκπεμφθεί 300.000 χρόνια μετά τη δημιουργία και που ανήκει στα μικροκύματα ανιχνεύθηκε τυχαία από τους Άρνο Πενζίας και Ρόμπερτ Ουίλσον το 1964. Οι παρατηρήσεις τους ταίριαζαν με τις προβλέψεις των Γκάμοφ, Άλφερ και Χέρμαν (1948) σύμφωνα με τις οποίες η σημερινή θερμοκρασία του διαστελλόμενου σύμπαντος πρέπει να είναι -268 βαθμοί Κελσίου (5Κ), αν και όταν όλα ξεκίνησαν ήταν δισεκατομύρια των δισεκατομυρίων βαθμοί. Η εικόνα αρχίζει και γίνεται πιο καθαρή (Σχ.1):
Σχήμα 1 (από το βιβλίο: «Η βιογραφία του Σύμπαντος, Δ.Π.Σιμόπουλος, ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ 2008.)
• Όλα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Έκρηξη. Στην αρχή υπήρχε μια πυκνή «σούπα» στοιχειωδών σωματιδίων. Η θερμοκρασία ήταν τεράστια.
• Το διαστελλόμενο σύμπαν κρυώνει. Εμφανίζονται τα σωμάτια που δημιουργούν τα πρωτόνια και νετρόνια (κουάρκς).
• Ενώ η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει εμφανίζονται τα ηλεκτρόνια και τα άλλα λεπτόνια.
• Δημιουργούνται οι πυρήνες υδρογόνου και ηλίου (από σύντηξη) και εμφανίζονται τα φωτόνια.
• Δημιουργούνται τα πρώτα άτομα και το σύμπαν γίνεται διαπερατό από το φως.
• Δημιουργούνται τα πρώτα άστρα και οι γαλαξίες. Στους πυρήνες των μεγάλων άστρων δημιουργούνται, πάντα με σύντηξη, τα βαρύτερα στοιχεία.
• Το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται αλλά όπως έδειξαν πρόσφατες μετρήσεις, με επιταχυνόμενο ρυθμό!
Και η έρευνα συνεχίζεται. Στο CERN προσπαθούν να δημιουργήσουν τις συνθήκες που επικρατούσαν τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης, ώστε να δώσουν απαντήσεις σε ερωτήματα που μένουν ακόμη αναπάντητα. Μερικά από αυτά είναι τα παρακάτω:
• Γιατί, ενώ αρχικά η ύλη και η αντι-ύλη δημιουργήθηκαν σε ίσες ποσότητες, επικράτησε η ύλη;
• Η ορατή μάζα του σύμπαντος αντιστοιχεί στο 4% μόνο της μάζας που υπάρχει! Η υπόλοιπη είναι σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Τι είναι αυτή η ύλη και η ενέργεια;
• Γιατί το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό;
* Ο Δημήτρης Γεωργιακώδης είναι Διδάκτωρ Φυσικής του Πανεπιστημίου Sussex και καθηγητής στο IB της Σχολής Μωραΐτη.
