Τι λέει η θεωρία του Big Bang για τις αρχικές στιγμές του Σύμπαντος;

Tο επικρατέστερο μοντέλο στη σύγχρονη κοσμολογία είναι το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο ή ΛCDM. Το Λ αναπαριστά την κοσμολογική σταθερά, η οποία σχετίζεται με την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος ή αλλιώς τη σκοτεινή ενέργεια, ενώ το CDM είναι ακρωνύμιο του Cold Dark Matter, που σημαίνει ψυχρή σκοτεινή ύλη και αναφέρεται στο 85% περίπου της συνολικής ύλης του Σύμπαντος, η οποία είναι άγνωστης φύσεως. Είναι ψυχρή διότι κινείται πολύ αργά συγκριτικά με την ταχύτητα του φωτός και είναι σκοτεινή διότι δεν αλληλεπιδρά καθόλου με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και άρα δεν μπορούμε να την παρατηρήσουμε άμεσα. Στη σημερινή βιβλιογραφία, υπάρχουν πολλά ακόμα κοσμολογικά μοντέλα, μιας και το ΛCDM φαίνεται να μην είναι 100% συμβατό με όλες τις παρατηρήσεις μας, αλλά το παρόν άρθρο αφορά μόνο την κοσμοαντίληψή μας υπό το πρίσμα του Καθιερωμένου Προτύπου, τόσο της κοσμολογίας, όσο και της σωματιδιακής φυσικής. 

Η θεωρία βαρύτητας την οποία χρησιμοποιεί το ΛCDM για να εξηγήσει το Σύμπαν είναι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η θεωρία αυτή προβλέπει την ύπαρξη των μελανών οπών, των βαρυτικών κυμάτων, εξηγεί με μεγάλη λεπτομέρεια τις κινήσεις των πλανητών, των αστέρων και των γαλαξιών, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτά σχηματίζονται, ενώ παράλληλα εξηγεί σε ακόμη μεγαλύτερες κλίμακες την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος μέσω του κοσμολογικού μοντέλου ΛCDM. Προεκτείνοντας τη διαστολή αυτή πίσω στον χρόνο, το Σύμπαν γίνεται μικρότερο, πυκνότερο και θερμότερο μέχρις ότου φτάσει στο σημείο της λεγόμενης μοναδικότητας της Μεγάλης Έκρηξης. Οι μοναδικότητες (singularities) είναι σημεία στο Σύμπαν όπου διάφορες ιδιότητες, όπως η καμπυλότητα ή η πυκνότητα, απειρίζονται και άρα κάθε είδος φυσικής εξήγησης καταρρέει. Στο αρχικό λοιπόν σημείο της Μεγάλης Έκρηξης, η ίδια η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που οι έννοιες του χώρου και του χρόνου παύουν πλέον να έχουν νόημα. Αυτό σημαίνει πως η Γενική Θεωρία Σχετικότητας αδυνατεί πλέον να περιγράψει το Σύμπαν σε αυτές τις κλίμακες. 

Για τον λόγο αυτό, και επειδή στις πολύ μικρές κλίμακες η θεωρία που εξηγεί καλύτερα τις φυσικές διεργασίες είναι η κβαντική μηχανική, θεωρείται από πολλούς επιστήμονες πιο εύλογο να χρησιμοποιήσουμε αυτή για τις απαρχές του Σύμπαντος. Σύμφωνα λοιπόν με την κβαντική μηχανική, και πιο συγκεκριμένα με την κβαντική θεωρία πεδίου*, το απόλυτο κενό δεν υπάρχει, ή όπως είπε και ο Φ. Γουίλτσεκ “το τίποτα είναι ασταθές”. Στα πλαίσια της κβαντικής θεωρίας, θεμελιώδεις λίθοι του σύμπαντος δεν είναι τα σωματίδια, αλλά τα κβαντικά πεδία• ο τρόπος με τον οποίο τα πεδία αυτά διευθετούνται αντιστοιχεί σε διάφορες καταστάσεις που μπορεί να έχει το Σύμπαν. Σε κάποιες από αυτές προβλέπεται ότι υπάρχουν 14 σωματίδια σε όλο το Σύμπαν, σε άλλες ότι υπάρχουν 276, σε άλλες ότι υπάρχουν άπειρα και σε άλλες κανένα. Οι τελευταίες ονομάζονται και καταστάσεις κενού (vacuum states), και σ’ αυτές ξέρουμε ότι δημιουργούνται και εξαϋλώνονται σωματίδια “από το πουθενά”. 

Υπό το πρίσμα λοιπόν της κβαντικής θεωρίας το σύμπαν γεννήθηκε από το τίποτα, όπου το τίποτα αναφέρεται στο κβαντικό κενό (στο οποίο περιέχονται κβαντικά πεδία) και όχι στο φιλοσοφικό ή θεολογικό τίποτα. Παρόλα αυτά, σε τόσο μικρές κλίμακες (πιο τεχνικά, κοντά στο μήκος του Πλάνκ), η βαρύτητα αναμένεται να έχει συγκρίσιμη ένταση με τις υπόλοιπες θεμελιώδεις δυνάμεις (ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή και ασθενής πυρηνική) και άρα θεωρούμε ότι όλες οι δυνάμεις ενοποιούνται. Ο μηχανισμός όμως ενοποίησης των υπόλοιπων δυνάμεων με τη βαρύτητα παραμένει άγνωστος και άρα σε αυτές τις αποστάσεις τα φαινόμενα της κβαντικής βαρύτητας δεν μπορούν να αγνοηθούν. Από τη στιγμή όμως που δεν έχουμε ακόμα μια πειραματικά επιβεβαιωμένη θεωρία βαρύτητας σε κβαντικό επίπεδο, δεν μπορούμε παρά να είμαστε επιφυλακτικοί με όλα τα παραπάνω και να συνεχίζουμε να προσπαθούμε να ξεδιπλώσουμε τους μυστήριους αλλά και γοητευτικούς μηχανισμούς δημιουργίας, αλλά και εξέλιξης του Σύμπαντος.

* Κβαντική Θεωρία Πεδίου: Η θεωρία που συνδυάζει την κβαντική μηχανική με την Ειδική Σχετικότητα του Einstein, και αποτελεί το θεωρητικό πλαίσιο των σύγχρονων θεωριών που περιγράφουν τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων.

Εικόνα 1: “Χρονοδιάγραμμα” του Σύμπαντος. Πηγή: Wikipedia