σύμπαν (13 άρθρα)

 

Το παρατηρήσιμο σύμπαν περιέχει περίπου 10⁸⁰ άτομα. Τα περισσότερα από αυτά είναι άτομα απλού υδρογόνου: το καθένα συνίσταται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Tο ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο έχουν σπιν, μπορούμε δηλαδή να τα φανταστούμε σαν δυο μαγνητικά δίπολα που μπορούν να έχουν παράλληλο ή αντιπαράλληλο προσανατολισμό. Όταν σχηματίζεται ένα άτομο υδρογόνου, οι πιθανότητες ώστε τα σπιν ηλεκτρονίου και πρωτονίου να είναι παράλληλα ή αντιπαράλληλα είναι 50-50. Αν είναι παράλληλα, τότε μετά από πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα το άτομο μεταβαίνει στην κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας με τα σπιν αντιπαράλληλα: αυτή η κβαντική μετάβαση εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος ίσο με 21 cm και συχνότητα 1420 ΜHz, στην ραδιοφωνική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Η ανακάλυψη της γραμμικής εκπομπής και απορρόφησης του υδρογόνου στα 21 cm έγινε το 1951 από τους H.I. Ewen και Ε.Μ. Purcell στο Harvard, τους C. A. Muller και J.H Oort στην Ολλανδία και τον J.L. Pawsey στην Αυστραλία, αποτελώντας σταθμό στην ιστορία της ραδιοαστρονομίας. Η φασματική γραμμή 21 cm διεισδύει στην ατμόσφαιρα και μπορεί να παρατηρηθεί από τη Γη με μικρές παρεμβολές. Μπορεί επίσης εύκολα να διαπεράσει σύννεφα διαστρικής κοσμικής σκόνης που είναι αδιαφανή στο ορατό φως. 

Γιατί το μήκος των 21 εκατοστών είναι ένα από τα σημαντικότερα μήκη στο σύμπαν;

Κατ’ αρχάς παίζει σημαντικό ρόλο στην μελέτη του διαστρικού χώρου. Εκεί πραγματοποιούνται όλες οι φάσεις της διαδικασίας σχηματισμού των άστρων με πρώτο στάδιο τον σχηματισμό των διαστρικών νεφελωμάτων. Τα νεφελώματα αυτά (ονομάζονται περιοχές Η_I) εκπέμπουν την χαρακτηριστική ακτινοβολία των 21 cm της υπέρλεπτης υφής της θεμελιώδους στάθμης του ατομικού υδρογόνου – το πιο άφθονο στοιχείο στην διαστρική ύλη.

Τα 21 εκατοστά είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό εργαλείο για την ανίχνευση της δομής του Γαλαξία μας αλλά και άλλων απομακρυσμένων γαλαξιών. Οι σπειροειδείς γαλαξίες, όπως και ο δικός μας, περιέχουν σημαντική ποσότητα σκόνης και αερίων, που απορροφούν ισχυρά σε οπτικά μήκη κύματος. Έτσι, η οπτική ακτινοβολία των άστρων και των άλλων αντικειμένων που βρίσκονται στο γαλαξιακό επίπεδο σε απόσταση μεγαλύτερη από 1 έως 2 παρσέκ απορροφάται από την μεσοαστρική σκόνη και ποτέ δεν φτάνει μέχρι τη Γη. Πέραν αυτής της απόστασης οι παρατηρήσεις μας γίνονται σχεδόν αποκλειστικά σε υπέρυθρα μήκη κύματος και (κυρίως) ραδιοφωνικά. Ο τεράστιος πλούτος πληροφοριών που διαθέτουμε σήμερα για την κατανομή και τις κινήσεις (μέσω του φαινομένου Doppler) της διαστρικής ύλης στον γαλαξία μας, οφείλεται σ’ αυτή την ακτινοβολία.

Τα 21 εκατοστά μπορούν να γίνουν και κοσμολογικό εργαλείο για την διερύνηση των πρώτων εποχών του σύμπαντος. Στα πρώτα 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη το σύμπαν ήταν ένα θερμό και πυκνό ιονισμένο πλάσμα. Στη συνέχεια, ψύχθηκε αρκετά έτσι ώστε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια που γέμιζαν το σύμπαν να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα. Το 92% αυτών των ατόμων ήταν υδρογόνο (ενώ σήμερα, μετά από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, ο αριθμός αυτός φτάνει στο 90% περίπου). Τα ουδέτερα άτομα υδρογόνου που σχηματίστηκαν είχαν πιθανότητα 50% να έχουν παράλληλα τα σπιν ηλεκτρονίου και πρωτονίου. Και μπορούσαν να υποστούν την μετάβαση προς την θεμελιώδη κατάσταση των αντιπαράλληλων σπιν, εκπέμποντας ακτινοβολία μήκους κύματος 21 εκατοστών. Αυτό ήταν το μόνο «φως» που εκπέμπονταν στο σύμπαν μετά τον σχηματισμό των πρώτων ουδέτερων ατόμων, πολύ πριν αρχίσει η δημιουργία των άστρων. Έτσι ξεκίνησε μια «σκοτεινή» περίοδος για το σύμπαν, όπου δεν υπήρχαν πηγές ορατού φωτός.

Με τον σχηματισμό των πρώτων άστρων και γαλαξιών περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια αργότερα, αυτό το αέριο άρχισε να ιονίζεται πάλι από την υπεριώδη ακτινοβολία των άστρων. Ιονισμός σημαίνει απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα, και όσον αφορά το υδρογόνο, τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται από τα πρωτόνια, κάνοντάς τα ελεύθερα σωματίδια. Η εποχή που συνέβη αυτός ο επαναϊονισμός είναι γνωστή ως «κοσμική αυγή». Διαμέσου της ακτινοβολίας των 21 εκατοστών θα μπορούσαμε να μελετήσουμε την σκοτεινή εποχή, τον κοσμικό μεσαίωνα του σύμπαντος, όταν σχηματίστηκαν για πρώτη φορά σταθερά ουδέτερα άτομα υδρογόνου, μέχρι την εποχή του επαναϊονισμού.

Ένα μήνυμα στους εξωγήινους

Ένας προηγμένος εξωγήινος πολιτισμός που διερευνά το σύμπαν σίγουρα θα έχει ανιχνεύσει το μήκος κύματος των 21 εκατοστών. Τα μη επανδρωμένα διαστημόπλοια της ΝΑSΑ Pioneer 10 και 11, που εκτοξεύθηκαν το 1972 και 1973 και τα Voyager 1 και 2 που εκτοξεύθηκαν το 1977, ήταν γνωστό ότι θα ξεπερνούσαν τα όρια του ηλιακού συστήματος. Για την εξαιρετικά απίθανη περίπτωση που θα πέσουν «στα χέρια» εξωγήινων, τα διαστημικά σκάφη περιέχουν σε μια πλάκα από χρυσό διάφορες πληροφορίες, μεταξύ των οποίων και την διαδικασία εκπομπής των 21 cm από το άτομο υδρογόνου. Χρησιμοποιήθηκε δηλαδή, η μόνη γλώσσα που μπορεί να είναι αληθινά παγκόσμια. Η γλώσσα της Φυσικής.

Ολόκληρο το σύμπαν φαίνεται να περιστρέφεται, σύμφωνα με τα νέα δεδομένα που παρουσιάζονται στην δημοσίευση με τίτλο «The distribution of galaxy rotation in JWST Advanced Deep Extragalactic Survey » .

Διερευνήθηκαν 263 αρχέγονοι γαλαξίες ως προς την κατεύθυνση περιστροφής τους. Και βρέθηκε κάτι εντυπωσιακό: περίπου τα 3/5 των γαλαξιών περιστρέφονται αντίθετα με την κατεύθυνση περιστροφής του Γαλαξία μας και τα 2/5 των γαλαξιών περιστρέφονται όπως ο Γαλαξίας μας. Αν η περιστροφή των γαλαξιών είναι εξ ολοκλήρου αποτέλεσμα της τυχαίας κίνησης της αρχικής ύλης, τότε το αποτέλεσμα θα ήταν γύρω στο 50-50.

Και παλαιότερες μελέτες αρχαίων γαλαξιών έδειχναν παρόμοια ασυμμετρία, αλλά ήταν πολύ μικρότερη και κανείς δεν την πήρε στα σοβαρά. Πλέον, αν κάποιος συγκεντρώσει όλα αυτά τα δεδομένα μαζί, φαίνεται ότι η εν λόγω ασυμμετρία ήταν σαφώς μεγαλύτερη στο πρώιμο σύμπαν.

Επομένως κάτι περίεργο συμβαίνει που δεν καταλαβαίνουμε. Πώς θα μπορούσε να ερμηνευθεί αυτό το φαινόμενο;

Η πιο απλή σκέψη μας οδηγεί στο παρελθόν, ότι η ύλη στο πρώιμο σύμπαν είχε από μόνη της μια περιστροφή σε πολύ μεγάλες κλίμακες. Δηλαδή, το αρχέγονο σύμπαν περιστρεφόταν. Κι αυτό έκανε τα μικρότερα συστήματα να περιστρέφονται με τον έναν ή τον άλλο τρόπο, παίρνοντας έτσι μέρος της συνολικής περιστροφής.

Κάποιοι για να εξηγήσουν την προέλευση αυτής της αρχέγονης συμπαντικής περιστροφής μάλλον το παρατραβάνε. Υποστηρίζουν την υπόθεση ότι το σύμπαν μας υπάρχει μέσα σε μια μαύρη τρύπα που υπάρχει μέσα σε ένα άλλο μητρικό σύμπαν. Έτσι, η παρατηρούμενη περιστροφή στο σύμπαν μας … κληρονομήθηκε από τον άξονα περιστροφής της μαύρης τρύπας από το οποίο προέκυψε.

Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι κάτι δεν κατανοούμε όσον αφορά το πλάσμα που σχηματίστηκε στο αρχέγονο σύμπαν. Μία θεωρία που θα οδηγούσε μεταξύ άλλων στην ασυμμετρία περιστροφής που παρατηρείται σήμερα, είναι η θεωρία του μορφοκλασματικού σύμπαντος. Η ιδέα ενός σύμπαντος-φράκταλ ξεκινά με την παραδοχή ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις που προκάλεσαν τις κινήσεις του πλάσματος στο αρχέγονο σύμπαν είχαν μια αυτο-ομοιότητα, ένα μοτίβο που επαναλαμβάνεται από πολύ μεγάλες έως πολύ μικρές κλίμακες.

Και μια απλούστερη εξήγηση θεωρεί ως αίτιο την περιστροφή του Γαλαξία μας. Λόγω του φαινομένου Doppler (βλέπε: Physics of galaxy rotation), οι αστρονόμοι αναμένουν ότι οι γαλαξίες που περιστρέφονται αντίθετα με την κίνηση του Γαλαξία μας θα φαίνονται φωτεινότεροι, γεγονός που θα μπορούσε να εξηγήσει την παρατηρούμενη πλειοψηφία των 3/5. Αν πράγματι ισχύει κάτι τέτοιο, θα χρειαστεί να βαθμονομήσουμε εκ νέου τις μετρήσεις των μακρινών αποστάσεων στο σύμπαν. Και η εκ νέου βαθμονόμηση θα μπορούσε ίσως να εξηγήσει κι άλλα αναπάντητα (μέχρι σήμερα) κοσμολογικά προβλήματα.

Δείτε το σχετικό βίντεο της Sabine Hossenfelder «The Entire Universe Seems to Spin, New Data Reveal» :

Πριν από μερικές ημέρες αναρτήθηκε στο κανάλι 3blue1brown, του Grant Sanderson, βίντεο με τον μαθηματικό Terence Tao – ίσως τον μεγαλύτερο μαθηματικό στον κόσμο σήμερα -,
όπου περιγράφει μέρος της ιστορίας των μετρήσεων κοσμικών αποστάσεων:

Σύμφωνα με ένα δόγμα που οι φυσικοί αποκαλούν κοσμολογική αρχή το σύμπαν σε μεγάλες κλίμακες γίνεται ομογενές (δηλαδή είναι παντού ομοιόμορφο) και ισότροπο (δηλαδή φαίνεται ίδιο προς κάθε κατεύθυνση)^*. Αυτό σημαίνει η θέση μας στο σύμπαν δεν είναι σε καμία περίπτωση ιδιαίτερη. Αλλά κάποιες πρόσφατες παρατηρήσεις θα μπορούσαν να ανατρέψουν αυτή την παλιά υπόθεση.

Είναι ενδαφέρον το γεγονός ότι για την μεγαλύτερη περίοδο της ιστορίας του πολιτισμού μας πιστεύαμε ότι είμαστε το κέντρο του σύμπαντος. Έπρεπε να φτάσουμε στον 15^ο αιώνα, ώστε ο Κοπέρνικος να επαναδιατυπώσει την άποψη που είχε εμφανιστεί σχεδόν δυο χιλιάδες χρόνια πριν με τον Αρίσταρχο, ότι η Γη και οι υπόλοιποι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο. Όμως, παρότι ο Κοπέρνικος πιστώνεται την απόρριψη της ανθρωποκεντρικής θεώρησης που ήθελε τη Γη κέντρο του σύμπαντος, στην πραγματικότητα θεωρούσε ότι ο ήλιος ήταν στο κέντρο του. Στα επόμενα διακόσια χρόνια έγινε κατανοητό ότι τα κοντινά αστέρια δεν κατανέμονται ομοιόμορφα, αλλά μάλλον βρίσκονται συγκεντρωμένα σε σχήμα δίσκου που τώρα αναγνωρίζουμε ως τον Γαλαξία μας. Τα αδέλφια Caroline και William Herschel μπόρεσαν να αναγνωρίσουν αυτή τη δομή του δίσκου στα τέλη του 18ου αιώνα, αλλά κατέληξαν στο λανθασμένο συμπέρασμα ότι το ηλιακό μας σύστημα βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία. Η θεώρηση αυτή ανατράπηκε, μόλις στις αρχές του 20^ου αιώνα από τον Harlow Shapley, o oποίος προσδιόρισε την θέση του ηλιακού μας συστήματος περίπου στα 2/3 της ακτίνας από το κέντρο του Γαλαξία μας. Αλλά, ακόμη και τότε εθεωρείτο ότι ο Γαλαξίας μας βρίσκεται στο κέντρο του σύμπαντος. Τελικά, το 1952 αποδείχθηκε από τον Walter Baade ότι ο Γαλαξίας μας είναι ένας τυπικός γαλαξίας, οδηγώντας στην σύγχρονη διατύπωση της κοσμολογικής αρχής, ότι το σύμπαν φαίνεται το ίδιο ανεξάρτητα με το ποιός είναι ο παρατηρητής και το που αυτός βρίσκεται.

Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η κοσμολογική αρχή δεν είναι ακριβής. Πρόκειται για μια προσέγγιση που πιστεύεται ότι ισχύει με μεγαλύτερη ακρίβεια καθώς εξετάζουμε μεγαλύτερες κλίμακες. Ισχύει για πολύ μεγάλες περιοχές που περιέχουν π.χ. εκατομμύρια γαλαξίες όπου περιμένουμε κάθε τέτοια περιοχή να φαίνεται λίγο πολύ όπως κάθε άλλη. Η κοσμολογική αρχή είναι η βάση της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, μια ιδιότητα του συνολικού σύμπαντος, η οποία παύει να ισχύει όταν εξετάζουμε τοπικά φαινόμενα.

Μπορεί λοιπόν οι άνθρωποι να είναι εγωκεντρικά πλάσματα με υπεδιογκωμένη αίσθηση κοσμικής ιδιαιτερότητας, κατάφεραν όμως να αποδείξουν πως ούτε Γη, ούτε ο Ήλιος, ούτε καν ο Γαλαξίας μας είναι το κέντρο του σύμπαντος. Το ίδιο ακριβώς θα αποδείκνυε για την θέση του στο σύμπαν και ένας μακρινός εξωγήινος πολιτισμός (εφόσον υπήρχε). Αυτή η έννοια της μετριότητας εμπεριέχεται στην κοσμολογία, με τη μορφή της «κοσμολογικής αρχής», την ιδέα ότι το σύμπαν φαίνεται το ίδιο όπου κι αν κοιτάξουμε.

Στην κορυφή της κοσμικής ιεραρχίας βρίσκονται γιγάντιες ομάδες γαλαξιών που συσσωρεύονται σε εκτεταμένα, πλούσια σε ύλη νημάτια και φύλλα γύρω από τα χάσκοντα διαγαλαξιακά κενά, αλλά πέρα ​​από αυτό, η δομή φαίνεται να εξασθενεί. Αν μπορούσαμε να κάνουμε μεγέθυνση και να δούμε την μεγάλη εικόνα του σύμπαντος, αυτό θα φαινόταν πραγματικά ομαλό. Συγκρίνοντας το σύμπαν με μια παραλία, παρατηρώντας μια χούφτα άμμο με λεπτομέρεια, θα βλέπαμε τους ξεχωριστούς κόκκους άμμου, με τα διαφορετικά χρώματα, σχήματα και μεγέθη. Αλλά αν περπατούσαμε στην παραλία κοιτάζοντας τους αμμόλοφους, το μόνο που θα βλέπαμε θα ήταν ένα ομοιόμορφο χρυσό-μπεζ χρώμα. Αυτό σημαίνει ότι η Γη (ή οποιοσδήποτε από τα άλλα τρισεκατομμύρια πλανήτες που πρέπει να υπάρχουν) και η μικροσκοπική γωνιά τους στο σύμπαν δεν φαίνεται να κατέχουν καμία ιδιαίτερα προνομιακή θέση σε σύγκριση με οτιδήποτε άλλο. Κι αυτή η ομοιογένεια είναι βολική για τους αστρονόμους επειδή τους επιτρέπει να βλέπουν το σύμπαν εν μέρει ως έναν αξιόπιστο τρόπο εξαγωγής συμπερασμάτων για το σύνολο.

Αμφισβητώντας την κοσμολογική αρχή

Αυτή η απλοϊκή θεώρηση ισχύει για τα πάντα, από την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η σκοτεινή ύλη επιβαρύνει τα σμήνη γαλαξιών μέχρι την εκτίμηση του πόσο κοινές μπορεί να είναι σε ολόκληρο το σύμπαν οι φιλικές προς τη ζωή συνθήκες, και επιτρέπει στους αστρονόμους να απλοποιήσουν τα μαθηματικά μοντέλα τους για το παρελθόν του σύμπαντος καθώς και τις προβλέψεις τους για το μέλλον του. Τα πάντα βασίζονται στην ιδέα ότι [η κοσμολογική αρχή] είναι αληθινή. Όμως, δεν παύει να είναι και μια πολύ ασαφής υπόθεση που είναι πολύ δύσκολο να επαληθευθεί.

Η επιβεβαίωση είναι ιδιαίτερα δύσκολη όταν υπάρχουν σημαντικά στοιχεία για το αντίθετο – και μια σειρά από πρόσφατες παρατηρήσεις που υποδηλώνουν ότι πράγματι το σύμπαν θα μπορούσε να είναι πιο παράξενο και να έχει μεγαλύτερες αποκλίσεις από ότι οι κοσμολόγοι με τόση ευκολία είχαν υποθέσει. Κι αν συμβαίνει κάτι τέτοιο, τότε διαφορετικοί παρατηρητές στο σύμπαν μπορεί να βλέπουν ελαφρώς διαφορετικά σύμπαντα, τουλάχιστον σε μεγάλη κλίμακα.

Οι αστρονόμοι δεν έχουν απορρίψει ακόμη την κοσμολογική αρχή, αλλά συγκεντρώνουν ενδείξεις για τις πιθανές αδυναμίες της. Μια προσέγγιση περιλαμβάνει την αναζήτηση δομών τόσο μεγάλων που αμφισβητούν την κοσμική ομαλότητα ακόμη και σε μια εξαιρετικά μεγάλη εστίαση. Οι επιστήμονες έχουν υπολογίσει ότι οτιδήποτε μεγαλύτερο από περίπου 1,2 δισεκατομμύρια έτη φωτός θα ανέτρεπε το μέχρι σήμερα αποδεκτό ομοιογενές και ισοτροπικό σύμπαν.

Μέχρι σήμερα οι αστρονόμοι έχουν εντοπίσει ήδη μερικές αποκλίσεις. Η Alexia Lopez από το Πανεπιστήμιο του Κεντρικού Λάνκασαϊρ στην Αγγλία, για παράδειγμα, ανακάλυψε ένα «τέρας» που ονομάζεται Γιγαντιαίο Τόξο – μια καμπύλη γαλαξιών σε μήκος περίπου 3,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Ανακάλυψε επίσης τον Μεγάλο Δακτύλιο, κυκλική, δακτυλιοειδή δομή γαλαξιών με διάμετρο περίπου 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός και περιφέρεια 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός. To Γιγάντιο Τόξο και ο Μεγάλος Δακτύλιος βρίσκονται κοντά μεταξύ τους και μπορεί να συνδέονται σε μια ακόμη μεγαλύτερη δομή.

Μερικές φορές, από μόνη της η μελέτη της κοσμολογίας μας κάνει καχύποπτους με την κοσμολογική αρχή. Για παράδειγμα, το φως που απέμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη, η επονομαζόμενη κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, έχει μερικές μυστηριώδεις μεγάλης κλίμακας διακυμάνσεις που δεν φαίνονται εντελώς τυχαίες, επισημαίνει ο Dragan Huterer, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν. Κι αυτό δεν εξηγήθηκε ποτέ ικανοποιητικά.

Μερικοί επιστήμονες υποστήριξαν ότι τέτοιες πιθανές προκλήσεις στην κοσμολογική αρχή μπορεί να εξηγηθούν από μια άλλη αρχή, την κοσμική διακύμανση, η οποία αναφέρεται στη στατιστική αβεβαιότητα που είναι εγγενής στις μετρήσεις των αστρονόμων για το σύμπαν. Πάντα περιοριζόμαστε από αυτό που μπορούμε να δούμε και επομένως πάντα είμαστε μαθηματικά αβέβαιοι για το ποια συμπεράσματα να βγάλουμε από ένα περιορισμένο δείγμα. Ίσως οι αποκλίσεις που είδαν οι αστρονόμοι ήταν απλώς το αποτέλεσμα της ατέλειας (έλλειψη πληρότητας) παρά μια πραγματική αντανάκλαση των ιδιοτήτων του σύμπαντος. Ίσως αυτό που φαίνεται ως ανωμαλία στην κοσμική ομαλότητα να εξαφανίζεται σε σύγκριση με ένα απαρατήρητο κομμάτι του σύμπαντος δίπλα στον ορατό όγκο που βλέπουμε εμείς.

Κι όταν πρόκειται να μελετήσουν κατάλληλα μεγάλα τμήματα του σύμπαντος, οι κοσμολόγοι, στην πραγματικότητα είναι πολύ περιορισμένοι: Μόνο το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι τόσο μεγάλο. Αν πείτε, «θα μελετήσω τα σχήματα των γαλαξιών», εντάξει είστε τυχεροί: έχετε δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων γαλαξίες στο σύμπαν. Μπορείτε να απαντήσετε στις ερωτήσεις σας με στατιστικά στοιχεία και η διακύμανση του δείγματός σας θα είναι πολύ μικρή. Όμως, σε μεγαλύτερες κλίμακες, διαθέτετε μόνο μερικά παραδείγματα επειδή το παρατηρήσιμο σύμπαν χωρίζεται μόνο σε λίγα τμήματα μεγάλων διαστάσεων.

Ο Valerio Marra, καθηγητής στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Espírito Santo στη Βραζιλία και ερευνητής στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Τεργέστης στην Ιταλία υπέθεσε ότι ορισμένες κοσμολογικές αποκλίσεις θα μπορούσαν να είναι αποτέλεσμα κοσμικής διακύμανσης. Αλλά αυτό δεν αρκεί για την ερμηνεία τους, σύμφωνα με υπολογισμούς δικούς του και άλλων.

Παρόλα αυτά, η κοσμολογική αρχή αντέχει πολύ καλά στις περισσότερες κοσμικές παρατηρήσεις. Επιπλέον, ενώ οι επιστήμονες συλλέγουν αρκετές πληροφορίες για να αμφισβητήσουν την εγκυρότητα αυτής της ιδέας, δεν είναι καθόλου έτοιμοι να την εγκαταλείψουν – ίσως επειδή κανείς δεν έχει ένα σταθερό εναλλακτικό σχήμα για να την αντικαταστήσει.

Όπως και νάχει, πρόκειται για ένα πρόβλημα που πολύ δύσκολα θα αποκρυπτογραφηθεί λόγω της φύσης της κοσμολογίας. Σε αντίθεση με κάποιο εργαστηριακό πείραμα το οποίο μπορεί να επαναληφθεί ξανά και ξανά, διαθέτουμε μόνο ένα σύμπαν.

ΠΗΓΗ

Στο διάσημο δοκίμιό του The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences , ο βραβευμένος με Νόμπελ (1963) φυσικός Eugene Wigner έγραψε ότι η αντιστοιχία μεταξύ των καθαρών μαθηματικών και του φυσικού κόσμου ήταν «κάτι που συνορεύει με το μυστηριώδες». «Δεν υπάρχει», είπε, «καμία λογική εξήγηση γι’ αυτό».

Είναι λογικό να πούμε ότι τα βασικά μαθηματικά αναπτύχθηκαν για να περιγράψουν πράγματα στον καθημερινό κόσμο. Μπορούμε να κατανοήσουμε έτσι την προέλευση της μέτρησης και των βασικών πράξεων και τον υπολογισμό του εμβαδόν. Ωστόσο, όπως συνεχίζει να υποστηρίζει ο Wigner, αυτή η απλή εξήγηση αποτυγχάνει να εξηγήσει τόσα πολλά από αυτά που βλέπουμε.

Η δουλειά των μαθηματικών συχνά περιλαμβάνει απίστευτη εφευρετικότητα και εκπληκτικά επιτεύγματα λογικής. Κάποια θεωρήματα και αποδείξεις χρειάζονται χρόνια για να λυθούν. Και όμως είναι εκπληκτικό ότι πολλές από τις πιο λαμπρές και τρελά αφηρημένες έννοιες, αποδεικνύονται ότι μοντελοποιούν τέλεια τα φαινόμενα του πραγματικού κόσμου. Ταιριάζουν σαν μια κλειδαριά με το κλειδί της.

Σκεφτείτε για λίγο πόσο εκπληκτικό είναι αυτό. Έχουμε αυτό το σύνολο πραγμάτων που φαίνεται να έχει δημιουργήσει το μυαλό μας σε μια αφηρημένη, μη πραγματική σφαίρα ιδεών. Και έχουμε μια άλλη κατηγορία ή σύνολο πραγμάτων που θα ονομάσουμε «πράγματα που κάνει το σύμπαν».

Στη συνέχεια, καθώς η ιστορία ξετυλίγεται, ανακαλύπτουμε ότι υπάρχει ακριβής αντιστοιχία μεταξύ των διαφόρων μαθηματικών εννοιών και των «πραγμάτων μέσα στο σύμπαν ή που κάνει το σύμπαν». Υπάρχει ένα είδος αξιοσημείωτης επικάλυψης μεταξύ αυτού που συμβαίνει στο μυαλό μας και αυτού που συμβαίνει εκεί έξω. Και πολύ συχνά, τα μαθηματικά δημιουργούνται πολύ πριν πάμε να ψάξουμε στον κόσμο για μια κατάσταση.

Όπως λέει ο Wigner, «Είναι δύσκολο να αποφύγουμε την εντύπωση ότι αντιμετωπίζουμε ένα θαύμα εδώ».

Αυτό είναι άξιο προσοχής. Τα πράγματα που φαίνεται να κάνει το σύμπαν στο επίπεδο της φυσικής αντικατοπτρίζονται στο μαθηματικό πεδίο. Το σύμπαν, φαίνεται, να συμπεριφέρεται σύμφωνα με τις σκέψεις του νου.

Είναι τα μαθηματικά κάτι που επινόησαν οι άνθρωποι;

Εάν απαντάτε ναι, πώς βγήκε κάτι που είναι καθαρά τεχνούργημα του μυαλού εκεί στη φύση; Πώς μπαίνει στον ίδιο τον ιστό του εξωτερικού κόσμου;

Σε κάθε γωνιά της φυσικής βρίσκουμε έννοιες που κανείς δεν πίστευε ότι θα εμφανιζόταν ποτέ στον οικείο κόσμο. Αλλά το κάνουν. Παλαβές, μη διαισθητικές αρχές και πράγματα που κανείς δεν ονειρευόταν ποτέ ότι θα ξέφευγαν από τις σελίδες των μαθηματικών περιοδικών όπου δημοσιεύτηκαν, αποδεικνύονται ότι είναι ακριβώς αυτό που χρειάζεται για να περιγράψει κανείς πως λειτουργεί ο Κόσμος.

Θα μπορούσαμε όλο αυτό να το βάλουμε στον εξής συλλογισμό:

Υπόθεση πρώτη: Οι μαθηματικές οντότητες είναι τα προϊόντα του νου.

Υπόθεση δεύτερη: Το σύμπαν συμπεριφέρεται σύμφωνα με μαθηματικές οντότητες.

Συμπέρασμα: Επομένως, το σύμπαν συμπεριφέρεται σύμφωνα με τους συλλογισμούς του νου.

Αλλά ίσως τα έχουμε πάρει όλα αυτά λάθος. Ίσως οι μαθηματικές οντότητες να μην παράγονται πραγματικά από το μυαλό μας . Ακόμα, αν αλλάξουμε την ιστορία μας και αποδεχτούμε ότι τα μαθηματικά είναι κατά κάποιο τρόπο πραγματικά εκεί έξω στον κόσμο, τότε πραγματικά υπάρχουν με τρόπο ανεξάρτητο από την ανθρωπότητα, και δεν έχουμε καταφέρει ακόμα να ξεφύγουμε από αυτό το συμπέρασμα. Στην πραγματικότητα, αν αυτά ανακαλύφθηκαν και δεν εφευρέθηκαν, το μυστήριο είναι ακόμη πιο βαθύ.

Τώρα έχουμε αυτό το βασίλειο των αφηρημένων ιδεών και σχέσεων, ένα άπειρο λογικό τοπίο στο οποίο έχουμε άμεση πρόσβαση μέσω του μυαλού μας. Και όμως, ενώ δεν είναι φυσικό, κατά κάποιο τρόπο αυτό το βασίλειο καθοδηγεί τη συμπεριφορά των πραγμάτων στον φυσικό κόσμο.

Φαίνεται αναπόφευκτο. Κάτι που μοιάζει με το “νου” τρέχει τον κόσμο, παρέχοντας το πλαίσιο και τις διαδρομές για να τρέξει η φυσική πραγματικότητα.

Ο ίδιος ο Αϊνστάιν αγωνίστηκε να εξηγήσει πώς θα μπορούσε να είναι αυτό: «Πώς γίνεται τα μαθηματικά, όντας τελικά προϊόν της ανθρώπινης σκέψης, να είναι τόσο αξιοθαύμαστα κατάλληλα για τα αντικείμενα της πραγματικότητας; Είναι, λοιπόν, η ανθρώπινη λογική, χωρίς μια προηγούμενη εμπειρία, απλώς με την σκέψη, ικανή να κατανοήσει τις ιδιότητες των πραγματικών πραγμάτων;»

Αν κάποιος στην ιστορία είχε το δικαίωμα να σχολιάσει αυτό το θέμα, ήταν ο Αϊνστάιν. Αυτός, βασιζόμενος λίγο πολύ αποκλειστικά σε νοητικά πειράματα, κατάφερε να ξεκλειδώσει μερικά από τα καλύτερα κρυμμένα μυστικά του σύμπαντος. Ο ίδιος το βρήκε αυτό εκπληκτικό, λέγοντας με ωραίο τρόπο. «Το πιο ακατανόητο πράγμα στον κόσμο είναι ότι είναι κατανοητός». Γιατί αυτό που πραγματικά υπάρχει εκεί έξω να αντιστοιχούσε ουσιαστικά σε αυτό που συνέβαινε στο μυαλό του;

Ο Αϊνστάιν μίλησε με ευλάβεια, ακόμη και θρησκευτικά, για τις εμπειρίες που είχε βλέποντας την «λαμπερή ομορφιά» που έλαμψε όταν προσπάθησε να κοιτάξει στα μυστήρια του σύμπαντος. Ήταν ικανοποιημένος, είπε, με την αίσθηση της «θαυμάσιας δομής της ύπαρξης» και την «ταπεινή προσπάθειά του να κατανοήσει έστω και ένα μικροσκοπικό τμήμα του Λόγου που εκδηλώνεται στη φύση».

Μιλώντας συγκεκριμένα για τα μαθηματικά ο Αϊνστάιν, έγραψε:

«Τα καθαρά μαθηματικά είναι, με τον τρόπο τους, η ποίηση των λογικών ιδεών. …Σε αυτήν την προσπάθεια για τη λογική ομορφιά, ανακαλύπτονται πνευματικές φόρμουλες απαραίτητες για τη βαθύτερη διείσδυση στους νόμους της φύσης».

Όσο περισσότερο το σκέφτεστε, τόσο πιο αξιοσημείωτο γίνεται. Πώς γίνεται ένας άντρας που καθόταν μόνος σε ένα ελβετικό γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, μπόρεσε να κατανοήσει τα βαθύτερα μυστικά του χώρου και του χρόνου; Τι μας λέει για το σύμπαν ότι η καθαρή σκέψη του ανθρώπου είναι σε θέση να αποκαλύψει πολλά από τα βαθύτερα αινίγματά του;

Ο κοσμολόγος Max Tegmark στο βιβλίο «Our Mathematical Universe»,  υοστηρίζει ότι όχι μόνο τα μαθηματικά περιγράφουν καλά το σύμπαν μας, αλλά στην πραγματικότητα το σύμπαν *είναι* απλώς μια μαθηματική δομή

Ο φιλόσοφος Ντέιβιντ Γουντ φέρνει αυτή την ερώτηση στο επίκεντρο:

«Πριν καταλάβετε ότι το σύμπαν διέπεται από κομψές μαθηματικές εξισώσεις, θα είχατε λόγους να το περιμένετε;  Θα περιμένατε το σύμπαν να είναι έτσι; Φυσικά και όχι. Τα μαθηματικά είναι μια γλώσσα. Το σύμπαν λειτουργεί σύμφωνα με αυτή τη γλώσσα. Αυτό δεν πρέπει να είναι καθόλου περίεργο για όσους πιστεύουν στον Θεό. Θα πρέπει να είναι τρομακτικό για τους άθεους, γιατί αυτό είναι το τελευταίο πράγμα που πρέπει να περιμένετε».

ΠΗΓΗ

Θα καταφέρουμε να αποφύγουμε το «Μεγάλο Φίλτρο»;

Το 1950 ο φυσικός Enrico Fermi με το διάσημο ερώτημά του «που βρίσκονται;» επεσήμανε το θεμελιώδες παράδοξο σχετικά με τους εξωγήινους. Μόνο στον δικό μας Γαλαξία υπάρχουν δισεκατομμύρια εξωπλανήτες – και ακόμα κι αν ένα πολύ μικρό πσοσοστό τους μοιάζει με τη Γη, εξακολουθούν να υπάρχουν πάρα πολλοί στους οποίους θα μπορούσε να έχει εμφανιστεί ζωή. Όμως, δεν έχουμε ενδείξεις για ύπαρξη ζωής οπουδήποτε αλλού. Οι ουρανοί παραμένουν σιωπηλοί, στο διάστημα δεν συνωστίζονται πανέξυπνες εξωγήινες συσκευές, και τα λιγοστά μέρη που έχουν επισκεφτεί οι δικές μας διαστημικές συσκευές δείχνουν άγονα.

O νομπελίστας βιολόγος Jacques Monod στο βιβλίο του «Τύχη και Αναγκαιότητα» το 1972 υποστήριζε ότι το «σύμπαν δεν κυοφορεί ζωή» και επομένως, ο «άνθρωπος γνωρίζει επιτέλους πως είναι μόνος στο Σύμπαν». To 1981 o Francis Crick που βραβεύθηκε επίσης με Νόμπελ για την ανακάλυψη της διπλής έλικας στο βιβλίο του «Life itself: Its Origins and Nature» θεωρούσε ότι «η προέλευση της ζωής φαίνεται … να είναι σχεδόν ένα θαύμα, με τόσες πολλές συνθήκες που θα έπρεπε να ικανοποιηθούν ώστε να παρει μπροστά». Σύμφωνα με τον Crick, η ζωή όπως την γνωρίζουμε έχει να κάνει με τις μεταμορφώσεις της ύλης, την εναλλαγή της ενέργειας και τη ροή της πληροφορίας. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι υπάρχουν μορφές ζωής που ανταποκρίνονται σε αυτό τον ορισμό, χωρίς να είναι κατ’ ανάγκη ίδιες με τη δική μας – για παράδειγμα, φανταστείτε για παράδειγμα μη κυτταρικές μορφές ζωής βασισμένες σε πλάσμα, ή τεράστιους μονοκύτταρους οργανισμούς, ή ακόμη μορφές ζωής που ευδοκιμούν σε δυο διαστάσεις, ή και εξωγήινους που ζούν σε παράλληλα σύμπαντα. Ωστόσο, δεν διαθέτουμε την παραμικρή ένδειξη που θα μπορούσε να αποδεικνύει όλες τις παραπάνω εικασίες πέρα από τη δύναμη της φαντασίας μας και την υποψία που εξέφρασε ο γενετιστής J. B. S. Haldane ότι «το σύμπαν όχι μόνο είναι πιο παράξενο απ’ ότι υποθέτουμε, αλλά είναι πιο παράξενο και απ’ ότι μπορούμε να υποθέσουμε«.

Το σύμπαν μας είναι ένα τεράστιο, προκλητικό αίνιγμα – ένα μυστήριο που προκαλεί την έμφυτη περιέργεια της ανθρωπότητας για αιώνες. Η αναζήτηση απαντήσεων σχετικά με τις εξωγήινες μορφές ζωής ήταν μέχρι στιγμής άκαρπη. Οι εύλογες υποθέσεις και οι υπολογισμοί σύμφωνα με την εξίσωση του Frank Drake δείχνουν ότι θα πρέπει να υπάρχουν εκατομμύρια εξωγήινων πολιτισμών μόνο στον Γαλαξία μας. Όμως, μέχρι σήμερα δεν έχουμε βρει ούτε ένα ίχνος τους. Λοιπόν, που είναι όλοι αυτοί;

Μπορεί η φαινομενική σιωπή του σύμπαντος να οφείλεται στην τεχνολογική ανθρώπινη αδυναμία να ακούσει, αλλά μπορεί να υποδηλώνει και την αδυναμία εξέλιξης εξωγήινης ζωής. Παρότι φιλόδοξα προγράμματα όπως το SETI στοχεύουν να δώσουν απάντηση σ’ αυτό το ερώτημα, τα αποτελέσματα μέχρι τώρα είναι απαισιόδοξα. Ίσως οι εξωγήινοι πολιτισμοί, όπως και ο δικός μας, καθώς εξελίσσονται και προχωρούν εκθετικά προς την εξερεύνηση του διαστήματος, να καταστρέφονται για διάφορους λόγους που ενεργούν ως το επονομαζόμενο Μεγάλο Φίλτρο: ένα φαινόμενο που εξαφανίζει τους πολιτισμούς πριν προλάβουν να συναντηθούν, κάτι που μπορεί να εξηγήσει την κοσμική σιωπή. Την θεωρία του «Μεγάλου Φίλτρου», διατύπωσε το 1998 ο οικονομολόγος Robin Hanson με το άρθρο του ‘The Great Filter – Are We Almost Past It?‘.

Το Μεγάλο Φίλτρο είναι μια πιθανή λύση του παραδόξου Fermi. Θεωρεί ότι στην ανάπτυξη της ζωής από τα πρώτα στάδια της αβιογένεσης έως την επίτευξη των υψηλότερων επιπέδων ανάπτυξης στην κλίμακα πολιτισμών Kardashev, υπάρχει κάποιο συγκεκριμένο εμπόδιο στην ανάπτυξη που κάνει την ανιχνεύσιμη εξωγήινη ζωή εξαιρετικά σπάνια.

Ο ανθρώπινος πολιτισμός αναπτύχθηκε περνώντας μέσα από διάφορα πιθανά «φίλτρα» που εμποδίζουν την ανάπτυξη πολιτισμών. Προέκυψε στο κατάλληλο αστρικό σύστημα που περιλάμβανε οργανικές ενώσεις και τουλάχιστον έναν δυνητικά κατοικήσιμο πλανήτη ώστε να προκύψουν βιομόρια (αμινοξέα, RNA, DNA), δημιουργήθηκε απλή (προκαρυωτική) μονοκύτταρη ζωή, πραγματοποιήθηκε αναπαραγωγή και μετάβαση στην σύνθετη (ευκαρυωτική) μονοκύτταρη ζωή, προέκυψε η πολυκύτταρη ζωή και οργανισμοί με νοημοσύνη που χρησιμοποιούν εργαλεία, για να φτάσουμε στην τωρινή κατάσταση του πολιτισμού μας. Αν ο πολιτισμός μας καταφέρει να επιβιώσει από το επόμενο «Μεγάλο Φίλτρο» του πιθανού αφανισμού του, θα μπορούσε να δημιουργήσει αποικίες στο ηλιακό σύστημα και τον Γαλαξία μας.

Όμως το γεγονός ότι δεν βρίσκουμε άλλους εξωγήινους πολιτισμούς, ίσως σημαίνει πως κατά τη διάρκεια της ιστορίας του σύμπαντος δημιουργήθηκαν (δημιουργούνται) μεν πολλοί εξωγήινοι πολιτισμοί, οι οποίοι είτε αυτοκαταστράφηκαν είτε δεν απέτρεψαν την καταστροφή τους από εξωτερικούς παράγοντες.
Θα έχει και η ανθρωπότητα την ίδια τύχη; Μήπως τελικά επικρατεί το «ένστικτο του θανάτου»; (την πιθανή ύπαρξη του οποίου πρότεινε ο Φρόυντ μετά τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, στο βιβλίο του «Πέραν της αρχής της ηδονής», απογοητευμένος από την εξέλιξη της ανθρώπινης ιστορίας).

Σε ένα πρόσφατο άρθρο των Jiang et al με τίτλο ‘Αποφεύγοντας το «Μεγάλο Φίλτρο»: Η Εξωγήινη Ζωή και το Μέλλον της Ανθρωπότητας στο Σύμπαν‘, προτείνονται πολλά πιθανά σενάρια για «το τέλος του πολιτισμού μας», συμπεριλαμβανομένων ανθρωπογενών και φυσικών κινδύνων, τα οποία όμως θα μπορούσαν να αποφευχθούν. Θεωρούν πολλά υποψήφια καταστροφικά σενάρια: πυρηνικό πόλεμο, παθογόνα και πανδημίες, τεχνητή νοημοσύνη, πρόσκρουση αστεροειδών-κομητών και κλιματική αλλαγή.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, έχουμε αγνοήσει εδώ και καιρό το «Μεγάλο Φίλτρο» που εξαπλώνεται γρήγορα, παρότι απειλεί να μας καταστρέψει ολοκληρωτικά, αφού ο ρυθμός της τεχνολογικής εξέλιξης του πολιτισμού μας σχετίζεται άμεσα με την δριμύτητα του αφανισμού μας. Απαιτείται λοιπόν μια περίοδος ενδοσκόπησης, ακολουθούμενη από κατάλληλες βελτιώσεις για να προσεγγίσουμε σωστά τη δύσκολη θέση μας και να βρούμε την έξοδο από αυτήν.

Δεν υπάρχει κανένα γνωστό θεωρητικό όριο για το πόσο μακριά θα μπορούσε να προχωρήσει η ανθρωπότητα στο μακρινό μέλλον, λαμβάνοντας υπόψη τα ανεξάντλητα αποθέματα ύλης και ενέργειας που βρίσκονται πέρα από την εύθραυστη ατμόσφαιρα της Γης, σε ένα σύμπαν με πολύ περισσότερο χρόνο μπροστά του από τα μόλις 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, που έχουν ήδη περάσει από την γέννησή του. Η ανθρωπότητα έχει την δυνατότητα να εξελιχθεί σε πολιτισμό Τύπου ΙΙ, ακόμη και σε πολιτισμό Τύπου ΙΙΙ – δεν είναι πέρα από κάθε πιθανότητα.
Για να προετοιμάσουμε το ταξίδι μας, μπορούμε πιθανότατα να υπολογίζουμε ότι το εσωτερικό ηλιακό σύστημα θα παραμείνει κατοικήσιμο για ακόμα μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, έως ότου ο Ήλιος αρχίζει να διαστέλλεται προς την κατάσταση του ερυθρού γίγαντα. Κι αν η ανθρωπότητα καταφέρει να ξεπεράσει το Μεγάλο Φιλτρο, υπάρχει αρκετός χρόνος να προετοιμαστεί για τις επόμενες προκλήσεις, ώστε να μεταναστεύσει προς τα άστρα βρίσκοντας το νέο σπίτι μας.

Ταχύτητα διαφυγής και διαστολή του σύμπαντος

Ένα κλασικό πρόβλημα απλής φυσικής είναι ο προσδιορισμός της ταχύτητας διαφυγής υ_δ ενός σώματος που εκτοξεύεται από την επιφάνεια ενός σφαιρκού και ομογενούς πλανήτη (χωρίς ατμόσφαιρα). Και όταν λέμε ταχύτητα διαφυγής εννοούμε την αρχική ταχύτητα που πρέπει να δοθεί σε ένα σώμα που βρίσκεται στην επιφάνεια του πλανήτη, έτσι ώστε να φτάσει σε άπειρη απόσταση με ταχύτητα ίση με το μηδέν (ακριβώς!). Δηλαδή να διαφύγει οριακά από το πεδίο βαρύτητας του πλανήτη.

• Aν το σώμα εκτοξευθεί με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα διαφυγής (υ=υ_δ), τότε εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας θα έχουμε:  ή , και λύνοντας ως προς την ταχύτητα διαφυγής: 
  (στο τελευταίο βήμα χρησιμοποιήθηκε η σχέση που συνδέει την μάζα με την πυκνότητα του σφαιρικού πλανήτη )
• Αν στο σώμα δοθεί αρχική ταχύτητα μικρότερη της ταχύτητας διαφυγής (υ<υ_δ), τότε το σώμα θα φτάσει σε ένα μέγιστο ύψος, όπου η ταχύτητά του θα μηδενιστεί και στη συνέχεια θα επιστρέψει στην επιφάνεια του πλανήτη.
• Αν εκτοξευθεί με ταχύτητα μεγαλύτερη της ταχύτητας διαφυγής (υ>υ_δ), τότε το σώμα θα φτάσει σε άπειρη απόσταση από τον πλανήτη, με κάποια ταχύτητα.

Η εξίσωση (1) αποκτά «κοσμολογική σημασία» αν λυθεί ως προς την πυκνότητα:  και αυθαίρετα θέσουμε  όπου Η η σταθερά του Hubble. Έτσι, καταλήγουμε αναπάντεχα στην εξίσωση της κρίσιμης πυκνότητας του σύμπαντος ρ_c συναρτήσει της σταθεράς του Hubble: .
Η κρίσιμη πυκνότητα του σύμπαντος αποτελεί μια σημαντική κοσμολογική παράμετρο που καθορίζει την μοίρα του σύμπαντος:

• αν η πυκνότητα του σύμπαντος ισούται με την κρίσιμη πυκνότητα, τότε το σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται επ’ άπειρο, αλλά ο ρυθμός διαστολής του θα τείνει στο μηδέν,
• αν είναι μικρότερη θα διαστέλλεται συνεχώς με πεπερασμένο ρυθμό διαστολής, και
• αν είναι μεγαλύτερη, τότε το σύμπαν θα πάψει να διαστέλλεται και θα αρχίσει η συστολή του.

Η αναλογία με το σώμα που εκτοξεύεται από την επιφάνεια ενός πλανήτη είναι αν μη τι άλλο εντυπωσιακή!
Αυτή η αναλογία μας δείχνει ότι θα μπορούσαμε να προσεγγίσουμε και την εξίσωση που περιγράφει την διαστολή του συμπαντος, αποφεύγοντας τον δύσβατο (αλλά επιστημονικά ορθό) δρόμο της Γενικής Σχετικότητας, μέσα από την κλασική θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα.

Η εξίσωση της διαστολής του σύμπαντος

Κάνοντας τις ίδιες υποθέσεις όπως και στην Γενική Σχετικότητα, θεωρούμε ότι στο ομοιόμορφα διαστελλόμενο σύμπαν η ύλη των γαλαξιών και των άστρων που το αποτελούν κατανέμονται ομογενώς και ότι το σύμπαν φαίνεται το ίδιο από όποιοδήποτε σημείο του. Επιλέγουμε ως «κέντρο» του το τυχαίο σημείο K. Θα υπολογίσουμε το άθροισμα της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας και της κινητικής ενέργειας που έχει ο γαλαξίας Α μάζας m, που απέχει απόσταση r από το K.

H δυναμική ενέργεια του γαλαξία στο σημείο Α ως προς το κέντρο Κ θα είναι: , όπου  η μάζα που περικλείεται στην σφαιρική επιφάνεια ακτίνας r. Έτσι η ολική ενέργεια θα είναι:

Για έναν άλλον γαλαξία που απέχει διαφορετική απόσταση από το Γ η ολική ενέργεια είναι διαφορετική. Η εξίσωση (2) μας δίνει την εξέλιξη της απόστασης r μεταξύ δυο γαλαξιών. Κι αυτό ισχύει για δυο οποιουσδήποτε γαλαξίες του σύμπαντος γιατί το θεωρούμε ομογενές. Το γεγονός αυτό μας επιτρέπει να επιλέξουμε ένα διαφορετικό σύστημα συντεταγμένων, γνωστό ως συν-κινούμενο (comoving) σύστημα συντεταγμένων, του οποίου οι συντεταγμένες ακολουθούν την διαστολή του σύμπαντος. Θεωρώντας την διαστολή ομοιόμορφη, η σχέση μεταξύ της απόστασης  και της συν-κινούμενης απόστασης , μπορεί να γραφεί: 
Το μέγεθος  που εξαρτάται από τον χρόνο ονομάζεται παράγοντας κλίμακας και μετράει τον καθολικό ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Μας δείχνει πως αυξάνονται με τον χρόνο οι φυσικές αποστάσεις, αφού οι αποστάσεις στο σύστημα συντεταγμένων  είναι εξ ορισμού σταθερές.

Για παράδειγμα, αν o παράγοντας κλίμακας διπλασιαστεί , σημαίνει ότι το σύμπαν έχει διασταλεί σε μέγεθος κατά έναν παράγοντα δυο, και θα μας έπαιρνε δυο φορές περισσότερο χρόνο να φτάσουμε από τον ένα γαλαξία στον άλλο.

Συνδυάζοντας τις εξισώσεις (2) και (3) προκύπτει:  ή αναδιατάσσοντας τους όρους:  
Χρησιμοποιήσαμε το γεγονός ότι εξ ορισμού ισχύει , αφού τα αντικείμενα παραμένουν σταθερά στις συν-κινούμενες συντεταγμένες.

Ο παράγοντας κλίμακας R και η σταθερά του Hubble H : Δεδομένου ότι  τότε συγκρίνοντας με τον νόμο του Hubble , προκύπτει ότι .

Αρκεί τώρα στην εξίσωση (4) να κάνουμε την ουρανοκατέβατη αντικατάσταση  για να πάρουμε την ‘εξίσωση της διαστολής του σύμπαντος‘ ή εξίσωση του Friedmann που δίνει η γενική σχετικότητα:  (όπου  η ταχύτητα του φωτός και  μια σταθερά αμετάβλητη στον χώρο και στον χρόνο).
Xρησιμοποιώντας την σχέση της σταθεράς Hubble με τον παράγοντα κλίμακς  και την εξίσωση της κρίσιμης πυκνότητας , η εξίσωση Friedmann γράφεται: .
Ο γεωμετρικός παράγοντας  παίρνει τις τιμές , που καθορίζουν την γεωμετρία και την εξέλιξη του σύμπαντος.
Η τιμή k=0 αντιστοιχεί στην μετρική του επίπεδου ευκλείδειου χώρου, η οποία περιγράφει το επίπεδο σύμπαν (τότε προκύπτει ρ=ρ_c , οπότε το σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται επ’ άπειρο, αλλά ο ρυθμός διαστολής του θα τείνει στο μηδέν)
Η τιμή k=+1 αντιστοιχεί στην γεωμετρία τρισδιάστατης σφαίρας και περιγράφει το κλειστό σύμπαν (εδώ ισχύει ρ>ρ_c και το σύμπαν κάποτε θα πάψει να διαστέλλεται και θα αρχίσει η συστολή του).
Η τιμή k=-1 αντιστοιχεί στη γεωμετρία μιας υπερεπιφάνειας στο χώρο Minkowski και περιγράφει το ανοιχτό σύμπαν (στην περίπτωση αυτή ισχύει ρ<ρ_c και το σύμπαν θα διαστέλλεται συνεχώς με πεπερασμένο ρυθμό διαστολής).

Πηγή

Ο φυσικός Dmitri Krioukov του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας, πραγματοποίησε προσομοιώσεις που δείχνουν ότι οι δομές του σύμπαντος είναι πολύ πιθανό να αναπτύσσεται με τρόπο ανάλογο με εκείνον του εγκεφάλου. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η ανάπτυξη του σύμπαντος έχει επίσης κοινά χαρακτηριστικά με την ανάπτυξη του Internet αλλά και των κοινωνικών δικτύων.

Απλή χαρτογράφηση μεταξύ  δύο επιφανειών που αντιπροσωπεύουν τις γεωμετρίες του σύμπαντος και σύνθετων δικτύων, αποδεικνύει ότι η δυναμική της ανάπτυξης μεγάλων δομών και οι δομές τους είναι παρόμοιες.

Παγκόσμιος νόμος

Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι ορισμένοι βασικοί φυσικοί νόμοι ελέγχουν την ανάπτυξη μικρότερων αλλά και μεγαλύτερων συστημάτων τα οποία ξεκινούν από την ηλεκτρική δραστηριότητα στον ανθρώπινο εγκέφαλο,  επεκτείνονται στη λειτουργία και ανάπτυξη του Internet και των κοινωνικών δικτύων και φτάνουν μέχρι την επέκταση των γαλαξιών.

«Οι δυναμικές των μηχανισμών φυσικής ανάπτυξης είναι ίδιες για διαφορετικά δίκτυα είτε είναι ψηφιακά όπως το Internet και τα κοινωνικά δίκτυα είτε είναι δίκτυα που αφορούν τον εγκέφαλο» αναφέρει ο φυσικός Dmitri Krioukov  επικεφαλής της έρευνας. «Όπως φαίνεται, υπάρχει ένας και μόνο θεμελιώδης νόμος της φύσης που κυβερνά όλα αυτά τα δίκτυα» σχολιάζει ένας άλλος φυσικός του Πανεπιστημίου του Χιούστον που δεν μετείχε στην έρευνα.

Η μελέτη

Οι ερευνητές σχεδίασαν μια προσομοίωση στην οποία το νεαρό Σύμπαν διασπάστηκε στις μικρότερες δυνατές μονάδες, τα κβάντα. Στη Φυσική, ο όρος κβάντο ή κβάντουμ αναφέρεται σε μια αδιάστατη μονάδα ποσότητας, ένα “ποσό από κάτι”. Για παράδειγμα ένα κβάντο φωτός είναι μία μονάδα φωτός, ένα φωτόνιο. Στην προσομοίωση τα κβάντα συνδέονταν σε ένα γιγάντιο κοσμικό δίκτυο και καθώς η προσομοίωση εξελισσόταν αυξανόταν συνεχώς ο συμπαντικός χωροχρόνος με αποτέλεσμα να αυξάνονται και οι διασυνδέσεις ανάμεσα στην ύλη και τους γαλαξίες και να αποκαλύπτεται σε βάθος χρόνου η ανάπτυξη του Σύμπαντος.

Όταν οι ερευνητές συνέκριναν την ανάπτυξη του Σύμπαντος με εκείνη των κυκλωμάτων του εγκεφάλου αλλά και εκείνη των κοινωνικών δικτύων διαπίστωσαν ότι όλα επεκτείνονται με παρόμοιους τρόπους.

«Είναι πιθανό ότι κάποιοι ακόμη άγνωστοι σε εμάς νόμοι της φύσης καθορίζουν τον τρόπο που τα δίκτυα αναπτύσσονται και μεταβάλλονται, από τα μικρότερα κύτταρα του εγκεφάλου μέχρι και τους μεγάλους γαλαξίες» αναφέρει ο Dmitri Krioukov .

Η έρευνα δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Scientific Reports».

Πηγή: ΑΠΕ

Μια νέα μελέτη στο περιοδικό Nature διαπιστώνει ότι ο Γαλαξίας είναι μέρος ενός ευρύτερου υπερσμήνους 100.000 γαλαξιών γνωστών ως Laniakea ή μερικές φορές και Lenakaeia (Το όνομα αυτό σημαίνει “ανυπολόγιστοι ουρανοί” στη γλώσσα της Χαβάης).

Γνωρίζουμε ότι η Γη και το ηλιακό σύστημα βρίσκονται σε ένα από τους αναρίθμητους γαλαξίες, τον Γαλαξία μας . Αλλά πού ακριβώς βρίσκεται ο Γαλαξίας ανάμεσα στα δισεκατομμύρια άλλων γαλαξιών στο γνωστό σύμπαν;

Σε μια συναρπαστική μελέτη του 2014  μια ομάδα επιστημόνων χαρτογράφησε χιλιάδες γαλαξίες στο κοντινό μας σύμπαν, και ανακάλυψε ότι ο Γαλαξίας μας είναι μέρος ενός τεράστιου “υπερ-σμήνους” γαλαξιών που ονόμασαν  Laniakea .

Αυτή η δομή είναι πολύ, πολύ,  πολύ μεγαλύτερη από ό, τι είχαν ήδη συνειδητοποιήσει οι αστρονόμοι. Το Laniakea περιέχει περισσότερους από 100.000 γαλαξίες, εκτείνεται σε 500 εκατομμύρια έτη φωτός και μοιάζει κάπως έτσι (ο Γαλαξίας είναι απλώς ένα στίγμα που βρίσκεται σε μια από τις παρυφές του στα δεξιά)

Είναι δύσκολο να καταλάβει κάποιος το πόσο τεράστιο είναι αυτή η δομή. Κάθε ένα από αυτά τα σημεία του φωτός είναι ένας μεμονωμένος γαλαξίας. Κάθε γαλαξίας περιέχει εκατομμύρια, δισεκατομμύρια ή ακόμα και τρισεκατομμύρια αστέρια. Ω, και αυτό είναι μόνο η μικρή μας τοπική γωνιά ενός ακόμη ευρύτερου σύμπαντος. Υπάρχουν πολλά άλλα υπερσμήνη γαλαξιών εκεί έξω.

Πώς λοιπόν οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι υπήρχε αυτή η δομή – και πώς τη διέκριναν από άλλα υπερσμήνη;

Η ομάδα των επιστημόνων, με επικεφαλής τον Brent Tully του Πανεπιστημίου της Χαβάης,  μελέτησε για πρώτη φορά την κίνηση περίπου 8.000 γαλαξιών στη γειτονιά μας. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαν να χαρτογραφήσουν ορισμένα μοτίβα. Το σύμπαν γενικά επεκτείνεται από την εποχή του  Big Bang . Όμως, η ομάδα διαπίστωσε, επίσης, ότι και η βαρύτητα τραβούσε προς τα μέσα κάποιους γαλαξίες.

Αυτό τους βοήθησε να φτιάξουν ένα γράφημα, όπου υπάρχουν οι γαλαξίες που απομακρύνονται από εμάς και οι γαλαξίες που κινούνται προς εμάς.

Αυτό, με τη σειρά του, τους έκανε να δημιουργήσουν έναν χάρτη των τροχιών κατά μήκος των οποίων κινούνται όλοι οι γαλαξίες και οριοθετούν ορισμένα όρια.

Ο παρακάτω χάρτης δείχνει μερικά από τις τροχιές εντός του ευρύτερου υπερσμήνους των γαλαξιών μας. Υπάρχει μια ιδιαίτερα πυκνή περιοχή που ονομάζεται “Ο μεγάλος ελκυστής” (με κόκκινο χρώμα) που τραβά αργά αργά τον Γαλαξία μας και πολλούς άλλους γαλαξίες προς αυτόν:

Το ενδιαφέρον είναι ότι αυτή η σούπερ δομή είναι πολύ μεγαλύτερη από ό, τι είχε συνειδητοποιήσει ο καθένας. Οι αστρονόμοι είχαν ομαδοποιήσει εδώ και πολύ καιρό τον Γαλαξία, την Ανδρομέδα και άλλους γαλαξίες γύρω μας στο  υπερσμήνος της Παρθένου , το οποίο περιείχε περίπου 100 ομάδες γαλαξιών.

Αλλά όπως βρήκαν ο Tully και οι συνάδελφοί του, και όπως δείχνει ο παραπάνω χάρτης, αυτό το υπερσμήνος της Παρθένου είναι μέρος ενός πολύ μεγαλύτερου σούπερσμήνους – της Laniakea.

Τι συμβαίνει λοιπόν όταν σμικρύνουμε αυτό τον χάρτη; Οι επιστήμονες σημειώνουν ότι η Laniakea συνορεύει με έναν άλλο υπερσμήνος γνωστό ως Περσέας-Ιχθύς. Και οι επιστήμονες καθόρισαν τα σύνορα εκεί όπου οι γαλαξίες αποκλίνουν σταθερά:

Τι συμβαίνει όμως όταν σμικρύνουμε ακόμη περισσότερο τον χάρτη ; Ακόμη και η Laniakea και ο Περσέας-Ιχθύς είναι μόνο ένας μικρός θύλακας του πολύ ευρύτερου σύμπαντος. Αυτό το σύμπαν αποτελείται από κενά και πυκνά υπερσμήνη γαλαξιών. Μοιάζει με αυτό το σχήμα:

Εξακολουθούμε βεβαίως να μην έχουμε λεπτομερείς χάρτες για τον κάθε τελευταίο γαλαξία του υπερσμήνους εκεί έξω. Αλλά τώρα έχουμε ένα για το δικό μας κοντινό υπερσμήνος – και αυτό είναι σίγουρα μια αρχή.

Πηγή: physics4u.gr