Σύγχρονη επιστημονική κοσμολογία

Εικόνα 1: Σχηματική παρουσίαση της Μεγάλης Έκρηξης.

Σύγχρονη επιστημονική κοσμολογία

του Κωνσταντίνου Αθ. Οικονόμου, δασκάλου-συγγραφέα

ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΚΗ ΑΡΧΗ: Κατά τα επιστημονιά κοσμολογικά δεδομένα το Σύμπαν είναι ισότροπο, δηλαδή παρουσιάζει τα ίδια φυσικά χαρακτηριστικά προς όλες τις κατευθύνσεις, και ομογενές, δηλαδή διέπεται από τους ίδιους φυσικούς νόμους στο σύνολο της έκτασης του. 

Η ισοτροπία αποδεικνύεται με την εξέταση της κατανομής των γαλαξιών, που παραμένει σταθερή σε κάθε διεύθυνση και της μόνιμης σταθερής έντασης μικροκυμάτων και ακτινοβολίας Χ από κάθε κατεύθυνση του Σύμπαντος. Η ομογένεια αποδεικνύεται από το γεγονός ότι η κατανομή των γαλαξιακών σμηνών δεν παρουσιάζει σημαντική διαφορά στα δύο γαλαξιακά ημισφαίρια, ούτε σημαντικές διαφορές συναρτήσει της απόστασης. Σύμφωνα με την θεωρία της σχετικότητας, ο χρόνος δε θεωρείται ξεχωριστό μέγεθος, αλλά συνδυάζεται με τον χώρο σε μια τετραδιάστατη ενότητα, το χωροχρόνο, μέσα στον οποίο εξελίσσεται το Σύμπαν.

ΘΕΩΡΙΑ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΡΗΞΗΣ: Μεγάλη έκρηξη (Big Bang) ονομάζεται η θεωρία σύμφωνα με την οποία το Σύμπαν δημιουργήθηκε από μια υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι η πιο διαδεδομένη στην Αστροφυσική.

Εισηγητές της υπήρξαν ο Βέλγος Αββάς και ο αστρονόμος Ζ. Λεμαίτρ που διαπίστωσαν ότι: Κατά τη θεωρία της Σχετικότητας, έπρεπε αρχή του Σύμπαντος να είναι μια μαθηματική ανωμαλία και ότι εφόσον η εντροπια (η αταξία) του σύμπαντος ολοένα και αυξάνει θα υπήρχε κάποια στιγμή στο παρελθόν με ελάχιστη εντροπία οπότε η ύλη θα είχε την μέγιστη δυνατή πυκνότητα. Με βάση αυτές τις δύο παρατηρήσεις προτάθηκε ως αρχή του σύμπαντος το λεγόμενο αρχικό άτομο, όπου ολόκληρη η μάζα του Σύμπαντος ήταν συγκεντρωμένη σε ένα και μοναδικό σημείο, ενώ ο χωροχρόνος ακόμη δεν υφίστατο. Το αρχικό άτομο αργότερα εξερράγη και από την ύλη που εκτοξεύτηκε δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες και οι αστέρες (!!!).

Συμπληρώνοντας αυτή τη θεωρία ο George Gamov [1948], μελετώντας θεωρητικά την υπερβολικά πυκνή κατάσταση του αρχικού ατόμου συμπέρανε ότι: Το ήλιον και άλλα ελαφρά χημικά στοιχεία πρέπει να δημιουργήθηκαν εντός τεσσάρων δευτερολέπτων και ακόμη, μια διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, απομεινάρι της μεγάλης έκρηξης, θα πρέπει να είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμη. Η διαστολή του Σύμπαντος και η βεβαιωμένη απομάκρυνση των γαλαξιών μεταξύ τους, δείχνει την κοινή εκκίνηση των στοιχείων του Σύμπαντος στο απώτατο παρελθόν. Το 1965 οι φυσικοί Allo Penzias και Robert Wilson παρατήρησαν μια μικρού μήκους διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, που ερχόταν ομοιόμορφα απ' όλες τις διευθύνσεις, ελάχιστης θερμοκρασίας [κοντά στο απόλυτο μηδέν (3οΚ)], σαν αυτή που είχε προβλέψει ο Γκάμοφ 17 χρόνια νωρίτερα [αυτή η ακτινοβολία ανιχνεύεται από τις κεραίες, ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές, με τη μορφή “χιονιού”]. Παρ' όλο που η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης κυριαρχεί μεταξύ των αστροφυσικών, προκύπτουν σημαντικά ερωτήματα που “ταρακουνούν” ή και λυγίζουν τα επιχειρήματά της. Για να γίνουμε πιο συγκεκριμένοι: α΄ Προβλέπει ένα μικρότερο σύμπαν από αυτό που υπάρχει σήμερα, β΄ δεν εξηγεί τη λεγόμενη Κοσμολογική Αρχή, αλλά την δέχεται σαν αξίωμα, πράγμα ασυμβίβαστο με την μαθηματική ανάλυση, γ΄ δεν απαντά στο τι υπήρχε πριν, και το πώς από το τίποτα(!) προήλθαν τα πάντα. Έτσι η θεωρία της Μ. Έκρηξης έχει και πολλούς πολέμιους. Απάντηση στα αναπάντητα ερωτήματα προσπάθησαν να δώσουν άλλες θεωρίες.

ΘΕΩΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ: Αυτή η θεωρία υποστηρίζει ότι στο Σύμπαν γεννιέται συνεχώς ύλη από το μηδέν(;). Κατά τη θεωρία αυτή [Φ. Χόυλ, Χ. Μπόντι, Τ. Γκόλντ], το Σύμπαν, εκτός της κοσμολογικής αρχής, πρέπει να είναι και σταθερής πυκνότητας. Αυτό ονομάστηκε τέλεια Κοσμολογική Αρχή. Έχοντας, όμως, υπόψιν την πειραματικά διαπιστωμένη διαστολή του Σύμπαντος, για να παραμείνει σταθερή η πυκνότητά του, θα έπρεπε να δημιουργείτα διαρκώς ύλη από το μηδέν!

Κατά τους πρεσβευτές αυτής της θεωρίας, μολονότι δημιουργείται νέα ύλη από το μηδέν, το “μοντέλο” κατορθώνει να διατηρήσει την συνολική ποσότητα ενέργειας στο Σύμπαν σταθερή, με την ενέργεια αδρανείας της δημιουργούμενης ύλης να παρέχεται από την βαρυτική ενέργεια διαστολής του σύμπαντος. Η θεωρία προχώρησε με την διατύπωση του Φρεντ Χόυλ, που υποστήριξε ότι η δημιουργία από την ανυπαρξία ενός ατόμου υδρογόνου ανά κυβική παλάμη κάθε 1 δις έτη είναι δυνατή και ικανή να κρατήσει την πυκνότητα του Σύμπαντος σταθερή (!!). Ωστόσο και αυτή η θεωρία δεν μπορεί να δικαιολογήσει-εξηγήσει πειραματικές παρατηρήσεις όπως: τη διάχυτη ακτινοβολία μικροκυμάτων (ακτινοβολία υποβάθρου), την ανεπαρκή δημιουργία ηλίου στους αστέρες, ώστε να δικαιολογηθεί η τόσο μεγάλη ποσότητα του στοιχείου αυτού που υπάρχει στο Σύμπαν, τη μη επιβράδυνση του Σύμπαντος, που προβλέπεται από τη θεωρία, αλλά ούτε και δικαιολογεί την κατανομή των γαλαξιών.

ΘΕΩΡΙΑ ΛΙΝΤΕ: Στα αναπάντητα ερωτήματα της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης προσπάθησε να απαντήσει ο Ρώσος φυσικός Αντρέι Λίντε, που διατύπωσε τη θεωρία ότι θα μπορούσαμε να έχουμε συμπαντική διαστολή χωρίς την προϋπόθεση της κοινής αρχής από το υπέρθερμο και υπέρπυκνο σημείο της θεωρίας του Μπιγκ Μπαγκ. Μίλησε για ένα αυτοαναπαραγόμενο και διαστελλόμενο Σύμπαν το οποίο αναπτύσσεται σαν φράκταλ1. Σχηματικά παρουσίασε το Σύμπαν σαν φυσαλίδα της οποίας η οποιαδήποτε διαταραχή δημιουργεί νέα συμπαντική φυσαλίδα. Οι φυσαλίδες έπειτα επεκτείνονται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Άρα, κατά τη θεωρία Λίντε, το Σύμπαν είναι μια φυσαλίδα σε ένα Υπερσύμπαν φυσαλίδων!!

ΘΕΩΡΙΑ BRANS-DICKE: Η θεωρία αυτή στηρίζεται στην Αρχή του Μαχ, βάσει της οποίας η αδράνεια και η μάζα κάθε σώματος εξαρτώνται από την επίδραση του συνόλου της συμπαντικής ύλης πάνω του. Σύμφωνα με τη θεωρία, εφόσον το Σύμπαν διαστέλλεται, τότε οι αποστάσεις μεγαλώνουν και η πυκνότητα του Σύμπαντος μικραίνει και έτσι η επίδραση του συνόλου της συμπαντικής ύλης πάνω στα σώματα μικραίνει. Αυτό, μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι όσο περνάει ο χρόνος, η αδράνεια και η μάζα των σωμάτων μικραίνει πράγμα που οδηγεί στην μείωση της τιμής της Σταθεράς της Παγκόσμιας Έλξης (G). Η θεωρία προβλέπει αρχική μεγάλη έκρηξη άρα συμβαδίζει με την θεωρία του Big Bang.

…………………………………………………

1. Με τον όρο φράκταλ [Μορφόκλασμα ή μορφοκλασματικό σύνολο], στη Φυσική, αλλα και στα Μαθηματικά, ονομάζεται ένα γεωμετρικό σχήμα, που επαναλαμβάνεται αυτούσιο σε άπειρο βαθμό μεγέθυνσης, κι έτσι συχνά αναφέρεται σαν "απείρως περίπλοκο". Το φράκταλ παρουσιάζεται ως "μαγική εικόνα" που όσες φορές και να μεγεθυνθεί οποιοδήποτε τμήμα του θα συνεχίζει να παρουσιάζει ένα εξίσου περίπλοκο σχέδιο με μερική ή ολική επανάληψη του αρχικού. Τα φράκταλ συχνά μπορεί να προκύψουν από τύπο που δηλώνει αριθμητική, μαθηματική ή λογική επαναληπτική διαδικασία ή συνδυασμό αυτών. Η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα των φράκταλ είναι ότι είναι γενικά περίπλοκα ως προς τη μορφή τους, δηλαδή εμφανίζουν ανωμαλίες στη μορφή σε σχέση με τα συμβατικά γεωμετρικά σχήματα. Κατά συνέπεια δεν είναι αντικείμενα που μπορούν να οριστούν με τη βοήθεια της ευκλείδειας Γεωμετρίας. Φράκταλ απαντώνται και στη φύση, όπως στο σχέδιο των νιφάδων του χιονιού, στα φύλλα των φυτών ή στις διακλαδώσεις αιμοφόρων αγγείων. Για να κατανοήσουμε την αναγκαιότητα εισαγωγής των φράκταλ αναφέρουμε το εξής παράδειγμα: Η περίμετρος ενός νησιού εννοείται ότι είναι ορισμένη. Ωστόσο, αν χρησιμοποιήσουμε ακρίβεια ενός μέτρου για να την μετρήσουμε, θα την βρούμε μικρότερη από ότι πραγματικά είναι γιατί δεν θα μπορέσουμε να μετρήσουμε τις κοιλότητες που είναι μικρότερες του ενός μέτρου. Αν μετρήσουμε με ακρίβεια ενός εκατοστού, πάλι θα χάσουμε ορισμένες κοιλότητες. Έτσι καταλήγουμε σε απειροστά μικρή μονάδα μέτρησης και η περίμετρος του νησιού θα γίνει άπειρη. Η επιφάνεια όμως του νησιού, η έκτασή του δηλαδή, είναι ορισμένη. Το παράδοξο αυτό, το οποίο η Ευκλείδεια Γεωμετρία αδυνατεί να εξηγήσει, αντιμετωπίζεται με τα φράκταλ.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:

-Μανώλης Δανέζης και Στράτος Θεοδοσίου, Το Σύμπαν που Αγάπησα, Εισαγωγή στην αστροφυσική, Τόμος Β', 1999, Εκδόσεις Δίαυλος.

-Γκέιλ, Τζωρτζ, "Cosmology: Methodological Debates in the 1930s and 1940s",The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Έντουαρντ Ν. Ζάλτα Τζόρνταν, Τόμας Φ., "Cosmology calculations almost without general relativity". (arXiv.org)

-Μαντόρ, Μπάρρυ Φ., "Level 5: A Knowledgebase for Extragalactic Astronomy and Cosmology". Caltech και Carnegie. Πασαντίνα, Καλιφόρνια, ΗΠΑ. Σμιθ, Τόνυ, "Cosmology- At the Millennium, Experimental Observations tell us a lot about Cosmology".

-Τάιλερ, Πατ και Νιούμαν, Φιλ, "Beyond Einstein". Laboratory for High Energy Astrophysics (LHEA) NASA Goddard Space Flight Center.

-Ράιτ, Νεντ. "Cosmology tutorial and FAQ". Division of Astronomy & Astrophysics,