Η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (ΘΜΕ, Big Bang Theory) αποτελεί σήμερα την κρατούσα άποψη της κοσμολογίας που υποστηρίζει ότι το σύμπαν (συμπεριλαμβανομένου και του ιδίου του χωρόχρονου) δημιουργήθηκε πριν 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η θεωρία αυτή βασίζεται στην παγκοσμιότητα των φυσικών νόμων (οι ίδιοι νόμοι ισχύουν παντού στο σύμπαν) και στην λεγόμενη κοσμολογική αρχή (το σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο, ίδιο σε όλες τις διευθύνεις και χωρίς κάποιο «κέντρο»).
Στο μαθηματικό-θεωρητικό επίπεδο η ΘΜΕ υποστηρίζεται από τα περίφημα θεωρήματα χωροχρονικών ανωμαλιών των Πενρόουζ-Χώκινγκ.
Πειραματικά η ΘΜΕ υποστηρίζεται από 4 βασικά δεδομένα: την μετατόπιση του φάσματός εκπομπής των γαλαξιών στο ερυθρό (που μέσω του φαινομένου Doppler υποδηλώνει ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους όπως τα «θραύσματα σε μια έκρηξη», αυτό λέγεται νόμος του Hubble), την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (ΚΜΑΥ), την περίσσεια ύπαρξης ελαφρών στοιχείων στο σύμπαν (υδρογόνου και ηλίου) και την εξέλιξη και την κατανομή των γαλαξιών.
Η θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού (cosmic inflation) αποτελεί ένα συστατικό που προστέθηκε εκ των υστέρων στην ΘΜΕ. Προήλθε κάνοντας την αρχική υπόθεση της αρνητικής πίεσης (στα θεωρήματα χωροχρονικών ανωμαλιών των Πενρόουζ – Χώκινγκ η υπόθεση ήταν ότι η πίεση είναι μικρή μεν, αλλά θετική).
Σύμφωνα με το πληθωριστικό σενάριο, κατά την χρονική διάρκεια 10^-36 μέχρι 10^-32 δευτερόλεπτα μετά την μεγάλη έκρηξη, το σύμπαν πέρασε από μια περίοδο απότομης και μεγάλης αύξησης του μεγέθους του, αυξήθηκε το μέγεθός του κατά 1.080 φορές.
Ο πληθωρισμός αυτός επιβραδύνθηκε σημαντικά για να καταλήξει στις μέρες μας στην παρατηρούμενη «ήπια» διαστολή.
Η θεωρία αυτή βασίζεται στην παγκοσμιότητα των φυσικών νόμων (οι ίδιοι νόμοι ισχύουν παντού στο σύμπαν) και στην λεγόμενη κοσμολογική αρχή (το σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο, ίδιο σε όλες τις διευθύνεις και χωρίς κάποιο «κέντρο»).
Στο μαθηματικό-θεωρητικό επίπεδο η ΘΜΕ υποστηρίζεται από τα περίφημα θεωρήματα χωροχρονικών ανωμαλιών των Πενρόουζ-Χώκινγκ.
Πειραματικά η ΘΜΕ υποστηρίζεται από 4 βασικά δεδομένα: την μετατόπιση του φάσματός εκπομπής των γαλαξιών στο ερυθρό (που μέσω του φαινομένου Doppler υποδηλώνει ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους όπως τα «θραύσματα σε μια έκρηξη», αυτό λέγεται νόμος του Hubble), την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (ΚΜΑΥ), την περίσσεια ύπαρξης ελαφρών στοιχείων στο σύμπαν (υδρογόνου και ηλίου) και την εξέλιξη και την κατανομή των γαλαξιών.
Η θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού (cosmic inflation) αποτελεί ένα συστατικό που προστέθηκε εκ των υστέρων στην ΘΜΕ. Προήλθε κάνοντας την αρχική υπόθεση της αρνητικής πίεσης (στα θεωρήματα χωροχρονικών ανωμαλιών των Πενρόουζ – Χώκινγκ η υπόθεση ήταν ότι η πίεση είναι μικρή μεν, αλλά θετική).
Σύμφωνα με το πληθωριστικό σενάριο, κατά την χρονική διάρκεια 10^-36 μέχρι 10^-32 δευτερόλεπτα μετά την μεγάλη έκρηξη, το σύμπαν πέρασε από μια περίοδο απότομης και μεγάλης αύξησης του μεγέθους του, αυξήθηκε το μέγεθός του κατά 1.080 φορές.
[Σημείωση: Ο ρυθμός διαστολής αυτός, δεν παραβιάζει την θεωρία της σχετικότητα που θέτει ως μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα στο σύμπαν αυτή του φωτός, η σχετικότητα μιλά για μετασχηματισμούς προώθησης ταχυτήτων μεταξύ αδρανειακών παρατηρητών, στον πληθωρισμό έχουμε αύξηση του παράγοντα κλίμακας ολόκληρου του σύμπαντος, δεν υπάρχει περιορισμός].
Υπάρχουν πολλές παραλλαγές του πληθωρισμού (νέος, αργά κυλιόμενου πεδίου, αέναος, κατά βαθμίδες, χαοτικός κλπ). Το πληθωριστικό σενάριο αποτελεί το πιο «οικονομικό» μαθηματικό μοντέλο που γνωρίζουμε σήμερα για να προσπαθήσουμε να ερμηνεύσουμε πειραματικά δεδομένα όπως η ομογένεια, η ισοτροπία και η μηδενική καμπυλότητα που παρατηρούμε στο σύμπαν.
Επίσης προσπαθεί να ερμηνεύσει την δημιουργία των γαλαξιών υποθέτοντας αρχικές κβαντικές διακυμάνσεις που μεγεθύνθηκαν με τον πληθωρισμό σε κοσμικές κλίμακες και έτσι παρείχαν τα «σπέρματα» για τις ομάδες γαλαξιών που δημιουργήθηκαν κατόπιν.
Ο πληθωρισμός από το 1980 που προτάθηκε από τον Αμερικανό Alan Guth ([τον Andrei Linde] και τον Ρώσο Aleksei Starobinsky), δέχθηκε και εξακολουθεί να δέχεται ισχυρή κριτική, βασικά σημεία είναι ότι η θεωρία ουσιαστικά δεν εξηγεί το πως επιτεύχθηκε αυτή η τεράστια μεγέθυνση του παράγοντα κλίμακος του σύμπαντος: Προτάθηκε η ύπαρξη ενός υποθετικού πεδίου-σωματιδίου που λέγεται «πληθωρόνιο» (inflaton). Αυτό δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα.
Κάποιοι ισχυρίζονται πως το σωμάτιο Χιγκς μπορεί να παίζει και το ρόλο του πληθωρόνιου. Άλλο σημείο κριτικής αποτελεί η ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων που επίσης δεν έχουν παρατηρηθεί. Επιπροσθέτως το δυναμικό του πληθωρόνιου είναι τελείως ad hoc για να συμφωνεί με τα δεδομένα (πρόβλημα ρύθμισης αρχικών παραμέτρων «με το χέρι», fine tuning problem). [...]
Ο πληθωρισμός προβλέπει την ύπαρξη 2 ειδών κυμάτων: Κύματα πυκνότητας και κύματα βαρύτητας. Μας ενδιαφέρουν τα δεύτερα. Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν «ρυτίδες στον χωρόχρονο» (όπως μια πέτρα που ρίχνουμε στο νερό προκαλεί κυματισμό, ρυτίδες στην επιφάνεια του νερού).
Προβλέπονται θεωρητικά από τις εξισώσεις που περιγράφουν το βαρυτικό πεδίο στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Αϊνστάιν και προέρχονται από την επιτάχυνση αντικειμένων με τεράστια μάζα κατ’ αναλογία με τα ηλεκτρο-μαγνητικά κύματα που προκύπτουν από την επιτάχυνση ηλεκτρικών φορτίων.
Τα βαρυτικά κύματα, όπως και τα ηλεκτρομαγνητικά, μπορεί να έχουν διάφορες συχνότητες. Είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν διότι οι μεταβολές στον χωρόχρονο που επιφέρουν είναι πάρα πολύ μικρές. Επί του παρόντος υπάρχουν πολλά πειράματα διεθνώς σε εξέλιξη για να προσπαθήσουν να τα παρατηρήσουν σε διάφορες συχνότητες.
Υπάρχουν πολλές παραλλαγές του πληθωρισμού (νέος, αργά κυλιόμενου πεδίου, αέναος, κατά βαθμίδες, χαοτικός κλπ). Το πληθωριστικό σενάριο αποτελεί το πιο «οικονομικό» μαθηματικό μοντέλο που γνωρίζουμε σήμερα για να προσπαθήσουμε να ερμηνεύσουμε πειραματικά δεδομένα όπως η ομογένεια, η ισοτροπία και η μηδενική καμπυλότητα που παρατηρούμε στο σύμπαν.
Επίσης προσπαθεί να ερμηνεύσει την δημιουργία των γαλαξιών υποθέτοντας αρχικές κβαντικές διακυμάνσεις που μεγεθύνθηκαν με τον πληθωρισμό σε κοσμικές κλίμακες και έτσι παρείχαν τα «σπέρματα» για τις ομάδες γαλαξιών που δημιουργήθηκαν κατόπιν.
Ο πληθωρισμός από το 1980 που προτάθηκε από τον Αμερικανό Alan Guth ([τον Andrei Linde] και τον Ρώσο Aleksei Starobinsky), δέχθηκε και εξακολουθεί να δέχεται ισχυρή κριτική, βασικά σημεία είναι ότι η θεωρία ουσιαστικά δεν εξηγεί το πως επιτεύχθηκε αυτή η τεράστια μεγέθυνση του παράγοντα κλίμακος του σύμπαντος: Προτάθηκε η ύπαρξη ενός υποθετικού πεδίου-σωματιδίου που λέγεται «πληθωρόνιο» (inflaton). Αυτό δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα.
Κάποιοι ισχυρίζονται πως το σωμάτιο Χιγκς μπορεί να παίζει και το ρόλο του πληθωρόνιου. Άλλο σημείο κριτικής αποτελεί η ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων που επίσης δεν έχουν παρατηρηθεί. Επιπροσθέτως το δυναμικό του πληθωρόνιου είναι τελείως ad hoc για να συμφωνεί με τα δεδομένα (πρόβλημα ρύθμισης αρχικών παραμέτρων «με το χέρι», fine tuning problem). [...]
Ο πληθωρισμός προβλέπει την ύπαρξη 2 ειδών κυμάτων: Κύματα πυκνότητας και κύματα βαρύτητας. Μας ενδιαφέρουν τα δεύτερα. Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν «ρυτίδες στον χωρόχρονο» (όπως μια πέτρα που ρίχνουμε στο νερό προκαλεί κυματισμό, ρυτίδες στην επιφάνεια του νερού).
Προβλέπονται θεωρητικά από τις εξισώσεις που περιγράφουν το βαρυτικό πεδίο στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Αϊνστάιν και προέρχονται από την επιτάχυνση αντικειμένων με τεράστια μάζα κατ’ αναλογία με τα ηλεκτρο-μαγνητικά κύματα που προκύπτουν από την επιτάχυνση ηλεκτρικών φορτίων.
Το πείραμα BICEP2, αποτελεί ουσιαστικά ένα τηλεσκόπιο που βρίσκεται στο Νότιο Πόλο, με σκοπό να παρατηρήσει την πόλωση της ΚΜΑΥ (είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που αποτελεί την «ηχώ» της μεγάλης έκρηξης, ουσιαστικά συνίσταται από φωτόνια που εκπέμφθηκαν 380.000 χρόνια μετά την μεγάλη έκρηξη, δηλαδή την στιγμή που η αρχική «κοσμική σούπα» έγινε αρκετά διάφανη ώστε τα φωτόνια να μπορέσουν να την διαπεράσουν).
Πόλωση είναι το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού (και μαγνητικού) πεδίου σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Η ιδέα είναι ότι η τυχόν ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων μεταβάλει με χαρακτηριστικό τρόπο το σχέδιο πόλωσης της ΚΜΑΥ. [...]
Το BICEP2, το οποίο παρατηρεί τον ουρανό στο φάσμα των μικροκυμάτων, φέρεται να είδε τα ίχνη αυτών των «τεντωμένων» βαρυτικών κυμάτων στη λεγόμενη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Συγκεκριμένα, το τηλεσκόπιο που βρίσκεται δίπλα στον αμερικανικό Σταθμό Άμουδσεν-Σκοτ στον Νότιο Πόλο, φέρεται να ανίχνευσε ίχνη των βαρυτικών κυμάτων από την πόλωση που προκαλούν στην ακτινοβολία ΚΜΑΥ, δηλαδή τη μεταβολή στον προσανατολισμό των κυμάτων της ακτινοβολίας.
Όπως η ηλιακή ακτινοβολία πολώνεται καθώς σκεδάζεται (εκτρέπεται) από τα άτομα της ατμόσφαιρας, έτσι και η ΚΜΑΥ πολώνεται καθώς σκεδάζεται από ηλεκτρόνια που συναντά στοn δρόμο της εδώ και 13,8 δισ. χρόνια. Τα βαρυτικά κύματα θα άλλαζαν το μοτίβο της πόλωσης και θα εμφανίζονταν ως «δίνες» που ονομάζονται B-modes.
Πρακτικά, όμως, η ανίχνευση αυτών των δινών είναι εξαιρετικά δύσκολη υπόθεση, αφού οι ερευνητές θα έπρεπε να αποκλείσουν τις παραμορφώσεις που προκαλεί η σκόνη στοn γαλαξία μας, η βαρύτητα άλλων γαλαξιών, ή τυχόν λαθών που εισάγει το ίδιο το τηλεσκόπιο.
Οι ερευνητές, όμως, λένε ότι πέρασαν τρία χρόνια αποκλείοντας αυτές τις εναλλακτικές εξηγήσεις.
Μάλιστα το σήμα που φέρεται να κατέγραψε το BICEP είναι ισχυρότερο από αυτό που προβλέπουν πολλά θεωρητικά μοντέλα, ένα χαρακτηριστικό που ίσως βοηθήσει τους θεωρητικούς φυσικούς να αποκλείσουν ορισμένα μοντέλα του πληθωρισμού.
Επιπλέον, τα αποτελέσματα δείχνουν να βρίσκονται σε συμφωνία με τις προβλέψεις της θεωρίας της ενοποίησης των δυνάμεων, σύμφωνα με την οποία όλες οι φυσικές δυνάμεις (βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός, ασθενής και ισχυρή πυρηνική δύναμη) είναι εκφάνσεις μιας ενιαίας δύναμης που κυριαρχούσε τις πρώτες στιγμές ζωής του Σύμπαντος. [...]
Εάν τελικά επιβεβαιωθεί, η ανακοίνωση του BICEP2 θα αποτελέσει ορόσημο στην φυσική, όχι τόσο γιατί γίνεται έμμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων (η πρώτη έμμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων βραβεύθηκε με Νοbel φυσικής το 1993), αλλά διότι τα βαρυτικά κύματα του BICEP2 είναι αρχέγονης προέλευσης, μας αποκαλύπτουν στοιχεία για το τι γινόταν στο σύμπαν την χρονική στιγμή 10^-35 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη και επαληθεύουν το πληθωριστικό μοντέλο του σύμπαντος.
Συνεπώς δεν πρόκειται απλά για θρίαμβο της Γενικής Θεωρίας της σχετικότητας του Einstein (η θεωρία αυτή έτσι κι αλλιώς θριαμβεύει τα τελευταία 100 χρόνια), αλλά και για θρίαμβο της πληθωριστικής θεωρίας που διατύπωσαν παράλληλα οι Alan Guth και Andrei Linde πριν από 35 χρόνια.
Γι αυτό ο Chao-Lin Kuo μέλος της ομάδας BICEP2 επισκέφθηκε ο ίδιος τον Andrei Linde για να του ανακοινώσει (πριν την επίσημη παρουσίαση) ότι το έργο της ζωής του, η θεωρία του πληθωρισμού, επαληθεύεται από τα πειραματικά δεδομένα του BICEP2.
Συνεπώς δεν πρόκειται απλά για θρίαμβο της Γενικής Θεωρίας της σχετικότητας του Einstein (η θεωρία αυτή έτσι κι αλλιώς θριαμβεύει τα τελευταία 100 χρόνια), αλλά και για θρίαμβο της πληθωριστικής θεωρίας που διατύπωσαν παράλληλα οι Alan Guth και Andrei Linde πριν από 35 χρόνια.
Γι αυτό ο Chao-Lin Kuo μέλος της ομάδας BICEP2 επισκέφθηκε ο ίδιος τον Andrei Linde για να του ανακοινώσει (πριν την επίσημη παρουσίαση) ότι το έργο της ζωής του, η θεωρία του πληθωρισμού, επαληθεύεται από τα πειραματικά δεδομένα του BICEP2.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου