Πολλές φορές λέμε ότι κάποιοι άνθρωποι εμπεριέχουν και διαχέουν γύρω τους «αρνητική ενέργεια». Είναι οι επονομαζόμενοι «τοξικοί» άνθρωποι που κυκλοφορούν ως φυσιολογικοί ανάμεσά μας. Προφανώς αυτή η «αρνητική ενέργεια» δεν πρέπει να συγχέεται με το φυσικό μέγεθος της ενέργειας. Χρησιμοποιείται μεταφορικά για να περιγράψει το γεγονός ότι η παρουσία και η συμπεριφορά των τοξικών ανθρώπων (που αφθονούν στο διαδίκτυο και στους χώρους εργασίας), προκαλεί δυσφορία και αηδία στους γύρω τους.
Η ενέργεια που αντιστοιχεί στην μάζα ενός ανθρώπου, από φυσική άποψη, είναι απόλυτα θετική. Για παράδειγμα, θεωρώντας έναν άνθρωπο μάζας 80 kg, από την δημοφιλέστερη εξίσωση της φυσικής: , αντικαθιστώντας το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός (), παίρνουμε: .
Βέβαια, για να έχει ένας άνθρωπος θετική ενέργεια πρέπει να θεωρηθεί ως απομονωμένο σώμα. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται έργο για να δημιουργηθεί ένα τέτοιο σώμα. Αν η ενέργειά του ήταν αρνητική, τότε θα μπορούσε να εμφανιστεί αυθόρμητα, αποκτώντας θετική κινητική ενέργεια, έτσι ώστε η ολική του ενέργεια να παραμένει μηδέν και η ενέργεια να διατηρείται. Αλλά τότε θα εμφανίζονταν σώματα εδώ κι εκεί, χωρίς κόστος ενέργειας. Με άλλα λόγια, ο κενός χώρος θα ήταν ασταθής. Επομένως, για να υπάρχει τοπική ευστάθεια στο σύμπαν, ένα απομονωμένο σώμα στο κενό πρέπει να έχει θετική ενέργεια.
Τότε όμως πώς συμβιβάζεται αυτό με την κοσμολογική θεωρία, ότι δηλαδή ολόκληρο το σύμπαν μπορεί να δημιουργήθηκε από το «τίποτα»; Κι εδώ μπαίνει στο παιχνίδι μια αλληλεπίδραση με ένα μοναδικό χαρακτηριστικό: η βαρύτητα. Η βαρύτητα είναι ελκτική και η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι αρνητική. Θυμάστε στο λύκειο που ο φυσικός σάς μάλωνε αν ξεχνούσατε το αρνητικό πρόσημο στη βαρυτική δυναμική ενέργεια; Χρειάζεται να καταναλώσουμε ενέργεια για να απομακρύνουμε έναν πλανήτη από το άστρο του ή έναν άνθρωπο από το βαρυτικό πεδίο της Γης. Άρα, από την μία έχουμε αρνητική βαρυτική ενέργεια και από την άλλη, θετική ενέργεια για να δημιουργηθεί ένα απομονωμένο σώμα. Θα μπορούσαμε λοιπόν, κατ’ αρχήν, να έχουμε ολική ενέργεια μηδέν. Καλό ακούγεται· αλλά ας δούμε λίγο αν δουλεύουν οι αριθμοί.
Θα υπολογίσουμε την αρνητική βαρυτική δυναμική ενέργεια που έχει ο άνθρωπος λόγω της έλξης του από τη Γη και θα την προσθέσουμε στην θετική του ενέργεια που υπολογίσαμε προηγουμένως: . Χρησιμοποιώντας την μάζα της Γης και την ακτίνα της , παίρνουμε: . Bλέπουμε ότι η βαρύτητα της Γης είναι πολύ μικρή για να φτάσει την ενέργεια ενός ανθρώπου. Γι’ αυτό καμία μάζα, ούτε άνθρωπος (έστω και τοξικός), δεν μπορεί να εμφανιστεί αυθόρμητα δίπλα μας. Το κενό τοπικά είναι ευσταθές.
Τώρα, ας εξετάσουμε τον ίδιο ακριβώς άνθρωπο, αλλά σε κοσμολογική κλίμακα, δηλαδή να υπολογίσουμε την αρνητική βαρυτική του ενέργεια εξαιτίας της αλληλεπίδρασής του με ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν συν την θετική του ενέργεια: . Χρησιμοποιώντας τις τιμές για την μάζα του σύμπαντος και την ακτίνα του (*), προκύπτει: .
Εδώ συμβαίνει κάτι εντυπωσιακό. Σε αντίθεση με το βαρυτικό πεδίο της Γης, οι δύο ενέργειες έχουν την ίδια τάξη μεγέθους, ώστε το άθροισμά τους να είναι μηδέν. Δηλαδή, η βαρύτητα του σύμπαντος είναι ικανή να καλύψει την απαιτούμενη ενέργεια για την δημιουργία μιας μάζας m (ακόμα και ενός ανθρώπου).
Και στην κλίμακα ολόκληρου του σύμπαντος, η θετική ενέργεια της ύλης μπορεί να εξισορροπηθεί από την αρνητική βαρυτική ενέργεια, έτσι ώστε να μην έχουμε καμία προφανή παραβίαση του νόμου διατήρησης της ενέργειας, που θα απαγόρευε την δημιουργία του σύμπαντος από το τίποτα. Αν και οι παραπάνω υπολογισμοί είναι μόνο ενδεικτικοί, υποστηρίζουν την ιδέα της κοσμολογίας: ότι η συνολική ενέργεια του σύμπαντος ίσως είναι μηδενική.
Μπορεί δηλαδή να ισχύει αυτό που είχε πει ο Edward Tryon, ότι «το σύμπαν μας είναι απλά ένα από εκείνα τα πράγματα που συμβαίνουν πού και πού«.
«Τα πάντα μπορούν να συμβούν, όλα είναι δυνατά και πιθανά. Χρόνος και χώρος δεν υπάρχουν. Πάνω σε μια ασήμαντη βάση πραγματικότητας η φαντασία απλώνεται και υφαίνει νέα πρότυπα.»(*)
Η εξίσωση Wheeler–DeWitt: η πιο μυστηριώδης εξίσωση της θεωρητικής φυσικής
Η εξίσωση της Κβαντικής Βαρύτητας των Wheeler–DeWitt, με φόντο την καλλιτεχνική αναπαράσταση του κβαντικού αφρού.
Οι πρώτες συστηματικές προσπάθειες για την ενοποίηση μιας κβαντικής περιγραφής της πραγματικότητας με τον τετραδιάστατο χωροχρόνο της γενικής σχετικότητας, οδήγησαν το 1967 τον John Archibald Wheeler και τον Bryce DeWitt στην εξίσωση Wheeler-DeWitt που μπορεί να γραφεί συνοπτικά ως .
Στην κβαντομηχανική η κυματοσυνάρτηση περιγράφει ένα σωματίδιο ή ένα σύστημα. Στην εξίσωση Wheeler–DeWitt όμως, η κυματοσυνάρτηση δεν περιγράφει σωματίδια, αλλά όλες τις δυνατές γεωμετρίες του ίδιου του σύμπαντος. Κι αυτό οδηγεί στην έννοια της κυματοσυνάρτησης του σύμπαντος, η οποία ορίζεται στον λεγόμενο υπερχώρο, τον χώρο όλων των δυνατών τρισδιάστατων γεωμετριών.
Η διαφορά με την κλασική εξίσωση του Schrödinger , είναι ότι η εξίσωση Wheeler-DeWitt δεν περιέχει μεταβλητή χρόνου. Η απουσία της χρονικής μεταβλητής μας δείχνει ότι το σύμπαν δεν εξελίσσεται ως προς κάποιον εξωτερικό χρόνο, δημιουργώντας το «πρόβλημα του χρόνου» στην κβαντική βαρύτητα. Αυτό έχει οδηγήσει ορισμένους φυσικούς και φιλοσόφους στην ιδέα ότι ο χρόνος δεν είναι θεμελιώδες συστατικό της πραγματικότητας, μια άποψη που θυμίζει τον Παρμενίδη πριν από δυόμισι χιλιάδες χρόνια.
Μια ερμηνεία στο πρόβλημα του χρόνου που προκύπτει από την εξίσωση Wheeler-DeWitt, προτάθηκε το 1983 από τους φυσικούς Don Page και William Wootters. Σύμφωνα με τον μηχανισμό Page-Wootters, ο χρόνος δεν είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα του σύμπαντος, αλλά ένα «αναδυόμενο» χαρακτηριστικό που αντιλαμβανόμαστε εμείς ως όντα που ζούμε μέσα στο σύμπαν εξαιτίας της κβαντικής σύμπλεξης. Αλλά αυτή είναι μια άλλη ιστορία.
(*) από το εισαγωγικό σημείωμα του Αυγούστου Στρίντμπεργκ στο θεατρικό του έργο «Ονειρόδραμα»
Τα τελευταία χρόνια έχουμε δει μια πολύ ενδιαφέρουσα ανακάλυψη: το σύμπαν δεν διαστέλλεται όπως νομίζαμε. Νέες παρατηρήσεις έδειξαν ότι η επιτάχυνση της διαστολής του μειώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι αν αυτό συνεχιστεί και επιβεβαιωθεί, το σύμπαν θα μπορούσε στο πολύ μακρινό μέλλον να πάψει να επιταχύνεται και ενδεχομένως να αρχίσει να συρρικνώνεται. Σύμφωνα με την δημοσίευση «A Cosmological Uncertainty Relation and Late-Universe Acceleration» του Σάββα Μ. Κουσιάππα, αυτό θα μπορούσε να συμβαίνει επειδή το ίδιο το σύμπαν ίσως να υπακούει σε μια κοσμολογική αρχή της αβεβαιότητας. Με άλλα λόγια, η βαρύτητα ενδέχεται να διέπεται από κβαντικές αρχές ακόμη και σε κοσμολογικές κλίμακες.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι η αιτία στην οποία οι φυσικοί αποδίδουν την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Η απλούστερη μορφή σκοτεινής ενέργειας θεωρείται ανεξάρτητη του χρόνου και ονομάζεται επίσης κοσμολογική σταθερά Λ, την οποία είχε εισαγάγει ο ίδιος ο Αϊνστάιν το 1917 με θετικό πρόσημο, ως μια απωστική δύναμη, προκειμένου να εξισορροπήσει την ελκτική βαρύτητα της ύλης και να αποτρέψει την κατάρρευση του σύμπαντος. Όταν αργότερα αποδείχθηκε ότι το σύμπαν διαστέλλεται, η κοσμολογική σταθερά θεωρήθηκε περιττή και ο Αϊνστάιν αναφέρθηκε σε αυτήν ως το μεγαλύτερο λάθος της ζωής του.
Προς το τέλος της δεκαετίας του 1990, αστρονομικές παρατηρήσεις αποκάλυψαν ότι το σύμπαν δεν διαστέλλεται απλώς, αλλά ότι η διαστολή του είναι επιταχυνόμενη. Κι αυτό επανέφερε την κοσμολογική σταθερά στο προσκήνιο η οποία συνδέθηκε με την σκοτεινή ενέργεια. Όμως οι αστρονομικές παρατηρήσεις βελτιώθηκαν πολύ και τα τελευταία χρόνια υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η σκοτεινή ενέργεια ίσως δεν είναι στην πραγματικότητα σταθερή. Αντιθέτως, η τιμή της φαίνεται να μειώνεται – δηλαδή, η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος μειώνεται. Η τάση αυτή υποστηρίζεται πλέον από αρκετές ανεξάρτητες παρατηρήσεις, χωρίς όμως να θεωρείται ακόμη οριστικά επιβεβαιωμένη, όπως του DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) το 2024.
Ο κοσμολογικός ορίζοντας είναι το απόλυτο όριο του παρατηρήσιμου σύμπαντος. Είναι η μέγιστη απόσταση πέρα από την οποία το φως δεν έχει προλάβει να φτάσει σε εμάς και, σύμφωνα με το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο, λόγω της επιταχυνόμενης διαστολής του χώρου, κανένα σήμα από εκεί δεν πρόκειται ποτέ να μας προσεγγίσει στο μέλλον. Θα μπορούσε ο κοσμολογικός ορίζοντας να λειτουργεί ως ένα όριο όπου ο χωροχρόνος παράγει μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα;(*)
Στην δημοσίευσή του ο Σάββας Κουσιάππας υποστηρίζει ότι η μείωση στην επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος είναι ένα τέτοιο κβαντικό φαινόμενο – συνέπεια μιας αρχής αβεβαιότητας που εφαρμόζεται σε ολόκληρο το σύμπαν.
Μια παρόμοια εξίσωση αβεβαιότητας μπορεί να εφαρμοστεί και για το σύμπαν: , που σημαίνει ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα με ακρίβεια το μέγεθος του σύμπαντος και την ταχύτητα διαστολής του.
Συγκρίνοντας με την γνωστή εξίσωση του Χάιζενμπεργκ: η αβεβαιότητα στην θέση Δx αντιστοιχεί στην αβεβαιότητα του παράγοντα κλίμακας(**) που αφορά το μέγεθος του σύμπαντος, ενώ η αβεβαιότητα στην ορμή Δp (ή της ταχύτητας mΔυ), αντιστοιχεί στην αβεβαιότητα της ταχύτητας διαστολής του σύμπαντος .
Υπάρχει όμως μια κρίσιμη διαφορά. Στην εξίσωση αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, το δεξί μέλος () είναι μια απόλυτη σταθερά. Στην εξίσωση της αβεβαιότητας του σύμπαντος, στο δεξί μέλος δεν βρίσκεται μια σταθερά αλλά μια έκφραση που εξαρτάται από το ίδιο το μέγεθος του σύμπαντος . Κι αυτό κάνει τις αβεβαιότητες εξαρτώμενες από το εκάστοτε μέγεθος του σύμπαντος.
Από την προτεινόμενη εξίσωση αβεβαιότητας προκύπτει ότι, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η σκοτεινή ενέργεια που προκαλεί την επιτάχυνσή του εξασθενεί σταδιακά.
Αν ισχύει αυτό το θεωρητικό μοντέλο τότε δεν χρειάζονται νέα εξωτικά σωματίδια, σκοτεινά πεδία ή άλλες πολύπλοκες αυθαίρετες προσθήκες στη φυσική για να εξηγηθεί η σκοτεινή ενέργεια. Η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος δεν είναι μια μυστηριώδης δύναμη, αλλά ένα μακροσκοπικό ορατό αποτύπωμα της κβαντικής βαρύτητας στον κοσμολογικό ορίζοντα του σύμπαντος.
(*) Αν και εντελώς διαφορετικές περιπτώσεις, αξίζει να σημειωθεί ότι μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα παράγει και ο ορίζοντας των γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. (**) Υπενθυμίζεται ότι ο παράγοντας κλίμακας , περιγράφει την χρονική εξάρτηση κάθε τυπικού μήκους, όπως για παράδειγμα την απόσταση μεταξύ δυο γαλαξιών.
Ένας άνθρωπος είπε στο σύμπαν:
«Κύριε, υπάρχω!»
«Ωστόσο», απάντησε το σύμπαν,
«Το γεγονός αυτό δεν μου δημιουργεί
Καμία αίσθηση υποχρέωσης.» Stephen Crane, «War is Kind» (*)
Με την συνειδητοποίηση της απόλυτης κοσμικής αδιαφορίας που εκφράζει ο Κρέην στο σύντομο ποίημα του, το ερώτημα που γεννάται δεν είναι πλέον το αν το σύμπαν νοιάζεται, αλλά το πώς ο άνθρωπος οφείλει να ανταποκριθεί σε αυτή την εκκωφαντική σιωπή.
Ο Κυρίλωφ, στους «Δαιμονισμένους» του Ντοστογιέφσκι, «ακούγοντας» την ίδια ακριβώς απάντηση από το σύμπαν, αναπτύσσει τον εξής συλλογισμό: «Αν υπάρχει Θεός, το παν είναι θέλημά του, και δεν μπορώ να ξεφύγω από την θέλησή του. Αν όχι, το παν είναι θέλημά μου, κι έχω χρέος να προβάλω την αυτοβουλία μου». Για τον Κυρίλωφ, η ανθρωπότητα κατασκεύασε τον Θεό ακριβώς επειδή δεν άντεχε την κοσμική αδιαφορία και τον τρόμο του κενού: «Ο άνθρωπος δεν έκανε τίποτε άλλο ως τώρα παρά να επινοεί τον Θεό, για να μπορεί να ζει χωρίς να αυτοκτονεί. Σε αυτό συνοψίζεται όλη η παγκόσμια ιστορία μέχρι σήμερα». Ο Κυρίλωφ αποφασίζει να γίνει ο ίδιος η απόλυτη εξουσία. Πρέπει να γίνει ο ανθρωποθεός. Και ο μόνος τρόπος για να το αποδείξει αυτό, εξαλείφοντας τον φόβο του θανάτου που κρατά τους ανθρώπους δέσμιους, είναι η λογική, εθελούσια αυτοκτονία: «Είμαι υποχρεωμένος να αυτοκτονήσω, γιατί το ανώτατο σημείο της αυτοβουλίας μου είναι να σκοτώσω ο ίδιος τον εαυτό μου… Σκοτώνομαι για να αποδείξω την απειθαρχία μου και τη νέα τρομερή ελευθερία μου». Επιπλέον, θεωρεί πως η πράξη του αυτή λειτουργεί και ως μια διεστραμμένη μορφή αλτρουισμού: δεν αυτοκτονεί μόνο για να αποδείξει στον εαυτό του ότι είναι ελεύθερος, αλλά πιστεύει ότι αν γίνει εκείνος ο πρώτος που θα σκοτωθεί λογικά και άφοβα, θα ανοίξει τον δρόμο ώστε η υπόλοιπη ανθρωπότητα να ζήσει πλέον ελεύθερη, χωρίς τον φόβο του θανάτου. Η λύση του Κυρίλωφ είναι μια λύση αφανισμού. Αντιμετωπίζει το κενό του σύμπαντος δημιουργώντας ένα δικό του, οριστικό κενό, αφανίζοντας τον εαυτό του για να αποδείξει ότι είναι ελεύθερος(**).
Ο Αλμπέρ Καμύ στον «Μύθο του Σισύφου«, αναγνωρίζει την ορθότητα της επισήμανσης (του παραλόγου) του Κυρίλωφ, αλλά απορρίπτει την αυτοκτονία, θεωρώντας την ομολογία ήττας. Η αληθινή απάντηση στο σύμπαν του Κρέην δεν είναι να δραπετεύσεις από αυτό, αλλά να παραμείνεις και να το κοιτάξεις κατάματα. Ο Σίσυφος καταδικάζεται από τους θεούς να κυλάει έναν βράχο στην κορυφή ενός βουνού, βλέποντάς τον να ξαναπέφτει διαρκώς. Ξέρει ότι το σύμπαν δεν του οφείλει τίποτα και ότι ο μόχθος του δεν έχει εγγενές νόημα. Όμως, η επίγνωση αυτής της αλήθειας δεν τον συντρίβει. Αντιθέτως, τον απελευθερώνει: «Σ’ αυτό το σύμπαν, παραδομένο αίφνης στη σιωπή, υψώνονται οι χιλιάδες μικρές, έκθαμβες φωνές της γης. Ασυνείδητα και μυστικά καλέσματα, προσκλήσεις όλων των προσώπων, αποτελούν την απαραίτητη ανάποδη όψη του νομίσματος και το τίμημα της νίκης.»
Ο Σίσυφος βρίσκει την ελευθερία του αποδεχόμενος το παράλογο της κατάστασής του χωρίς μεταφυσικές παρηγοριές. Η απόλυτη κοσμική αδιαφορία δεν τον τρομάζει πλέον: «Τούτο το σύμπαν, αδέσποτο στο εξής, δεν του φαίνεται άγονο ούτε ασήμαντο. Κάθε κόκκος αυτής της πέτρας, κάθε ορυκτό θραύσμα αυτού του πλημμυρισμένου από νύχτα βουνού, σχηματίζει από μόνο του έναν κόσμο». Η ζωή δεν χρειάζεται την άδεια ή την «υποχρέωση» του σύμπαντος για να αξίζει να την ζήσεις. Για τον Καμύ, το ίδιο το ταξίδι και η εξέγερση απέναντι στο κενό συγκροτούν την απόλυτη κατάφαση στη ζωή: «Ο αγώνας και μόνο προς την κορυφή αρκεί για να γεμίσει μιαν ανθρώπινη καρδιά. Πρέπει να φανταστούμε τον Σίσυφο ευτυχισμένο».
(*) Το ποίημα του Κρέην επισημαίνει στην πρόσφατη συνέντευξή του ο Δημήτρης Νανόπουλος, λέγοντας: «…στην αρχή του νέου μου βιβλίου, ‘Ο κβαντικός μύθος του Σισύφου’ που θα κυκλοφορήσει σε περίπου έναν μήνα, ξεκινώ με ένα ποίημα του Stephen Crane, «A Man Said to the Universe». Η χαρακτηριστική φράση είναι: «Κύριε, υπάρχω!» και το Σύμπαν απαντά: «Το γεγονός αυτό δεν με υποχρεώνει σε τίποτα». Με απλά λόγια, πρέπει να απελευθερωθούμε από την ιδέα ότι το Σύμπαν εμπλέκεται στις ανθρώπινες υποθέσεις. Δεν του καίγεται καρφάκι του Σύμπαντος για μας, ούτε συνωμοτεί εναντίον μας…»
(**) Σ’ αυτόν τον συλλογισμό ο Σπινόζα είναι κατηγορηματικά αντίθετος. Διατυπώνει ότι κανένας άνθρωπος δεν επιθυμεί την καταστροφή του (την αυτοκτονία) από δική του, εσωτερική ανάγκη της φύσης του: «Το ότι κάποιος αυτοκτονεί, οφείλεται στο ότι εξαναγκάζεται από εξωτερικά αίτια, τα οποία αντιστρατεύονται την φύση του… Είναι αδύνατον ένας άνθρωπος, από την αναγκαιότητα της δικής του φύσης, να προσπαθήσει να μην υπάρχει ή να αλλάξει σε άλλη μορφή.» Σύμφωνα με τον Σπινόζα, ο άνθρωπος δεν μπορεί να απεμπολήσει κάποια υπέρτατα αγαθά, ακόμα και αν το θέλει, με την πλήρη ελευθερία της βούλησής του. Και να θέλει π.χ. κάποιος να πουλήσει τον εαυτό του για σκλάβο, δεν μπορεί. Το ίδιο δεν μπορεί να πετάξει από πάνω του το υπέρτατο αγαθό που λέγεται ζωή.
Το πανίσχυρο νέο τηλεσκόπιο Vera Rubin στη Χιλή, που τέθηκε φέτος σε λειτουργία υπόσχεται επανάσταση στη χαρτογράφηση του σύμπαντος. Πήρε το όνομά του από την αστρονόμο Vera Rubin και φιλοξενεί τον ισχυρότερο ψηφιακό φωτογραφικό μηχανισμό στον κόσμο. Οιπρώτες φωτογραφίες του κατέγραψαν το φως από εκατομμύρια μακρινά άστρα και γαλαξίες σε πρωτοφανή κλίμακα – και στο μέλλον αναμένεται ότι θα αποκαλύψουν χιλιάδες αστεροειδείς που δεν έχουν εντοπιστεί μέχρι σήμερα.
Το αστεροσκοπείο Vera Rubin οραματίστηκε για πρώτη φορά ο Τόνι Τάισον πριν από 30 χρόνια και πλέον. Η εργασία του στην τεχνολογία των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών ήταν αναπόσπαστο μέρος της ανάπτυξης του τηλεσκοπίου. Παρά το βάρος του περίπου 350 τόνων, το τηλεσκόπιο έχει έναν συμπαγή σχεδιασμό που του επιτρέπει να κινείται ευέλικτα, καταγράφοντας μια διαφορετική έκθεση κάθε 40 δευτερόλεπτα. Θα χαρτογραφεί τρισδιάστατα την αόρατη σκοτεινή ύλη του σύμπαντος, θα ανιχνεύει εκατομμύρια πάλσαρ ή σουπερνόβα και θα εντοπίζει αστεροειδείς που θα μπορούσαν να απειλήσουν τη Γη. Ο Τάισον όχι μόνο συνέλαβε το έργο, αλλά το προώθησε και το προχώρησε, παρά τον αρχικό σκεπτικισμό.
Ο Τάισον λίγο μετά την απόκτηση του διδακτορικού του στη φυσική, εντάχθηκε στα εργαστήρια AT&T Bell στο Murray Hill του New Jersey το 1969. Εργάστηκε σε έναν πρώιμο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων και στη συνέχεια ενδιαφέρθηκε για τους αισθητήρες CCD (Charge Coupled Device) οι οποίοι μόλις είχαν εφευρεθεί. Συνειδητοποίησε ότι η ικανότητά τους να ανιχνεύουν ακόμη και μικροσκοπικές ποσότητες φωτός θα μπορούσε να μεταμορφώσει την αστρονομία. Ξεκίνησε να χρησιμοποιεί αυτούς τους αισθητήρες για να αποκαλύψει τους πιο αμυδρούς και πιο μακρινούς γαλαξίες.
Ο απώτερος στόχος του ήταν να απεικονίσει μεγάλα τμήματα του ουρανού, μετρώντας πώς τα σχήματα των γαλαξιών παραμορφώνονταν καθώς το φως τους ταξίδευε σε ένα σύμπαν γεμάτο με τεράστιες μάζες σκοτεινής ύλης.
Το 2000, ο Τάισον ήταν ένας από τους πρώτους φυσικούς που χρησιμοποίησε την τεχνική, που ονομάζεται «ασθενής βαρυτικός φακός», για να αποκαλύψει την παρουσία σκοτεινής ύλης.
Εν τω μεταξύ, ο Tάισον συνέχισε να χρησιμοποιεί CCD για την κατασκευή όλο και μεγαλύτερων ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών για τηλεσκόπια. Μία που κατασκεύασε στις αρχές της δεκαετίας του 1990 εγκαταστάθηκε σε ένα αμερικανικό τηλεσκόπιο στη Χιλή και αποτέλεσε βασικό εργαλείο στην ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας το 1998. Ενώ εργαζόταν σε αυτό το τηλεσκόπιο, ο Tάισον συνέλαβε την ιδέα για το τηλεσκόπιο Rubin για την οποία πρωτοστάτησε, από την πρώτη πρόταση το 2000 μέχρι την ολοκλήρωσή της. Εξακολουθεί να κατέχει τον ρόλο του επικεφαλής επιστήμονα, διαχειριζόμενος τη ρύθμιση της πολύπλοκης συσκευής.
Οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές που κατασκευάζονται από CCD αποτελούν πλέον το τυπικό εργαλείο οπτικής απεικόνισης σε όλη την αστρονομία, αλλά το τηλεσκόπιο στο αστεροσκοπείο Rubin, που ονομάζεται Simonyi Survey Telescope, διαθέτει την μεγαλύτερη ψηφιακή κάμερα που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Έχει το μέγεθος ενός μικρού αυτοκινήτου και μπορεί να καταγράψει 3.200 megapixel σε κάθε λήψη, και θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο κάνουμε αστρονομία.
Ακόμα και στην ηλικία των 85 ετών, ο Τάισον δεν έχει καμία πρόθεση να επιβραδύνει. Αναμένει ότι το τηλεσκόπιό του θα υλοποιήσει το απόλυτο όραμα, διεξάγοντας την μεγαλύτερη έρευνα του φαινομένου ασθενούς βαρυτικού φακού στο σύμπαν. Αναμένει επίσης ότι υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να μας αποκαλύψει κάτι πραγματικά απρόσμενο.
«(…) Γίνεται να διερωτώμαστε για την ίδια την ύπαρξη του σύμπαντος; Να διερωτώμαστε δημόσια και να μην παρεμβαίνει αμέσως ο εσωτερικός λογοκριτής για να διαβιβάσει το ερώτημα μας στο τμήμα θεολογίας, παραδείγματος χάριν; Ή, έστω, στον τομέα μεταφυσικής – με την αριστοτελική έννοια του όρου – του τμήματος φιλοσοφίας; Στο κάτω-κάτω, αυτό έκανε πάντα και ο συγγραφέας του βιβλίου όταν τον ρωτούσαν π.χ. για το τι συνέβαινε πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη. Έλεγε αμέσως – σχεδόν με παυλοφικό αυτοματισμό! – ότι δεν μπορεί να απαντήσει ως φυσικός, γιατί αυτό δεν είναι ερώτημα φυσικής, αφού η όποια απάντησή του δεν μπορεί να ελεγχθεί εμπειρικά. Και η φυσική είναι εμπειρική επιστήμη. Και συνέχιζε ακάθεκτος: Το πριν από το σύμπαν δεν είναι σύμπαν, και η ύπαρξη του σύμπαντος αποτελεί ιδρυτική προϋπόθεση της φυσικής. Δεχόμαστε ότι υπάρχει σύμπαν και συζητάμε μόνο ό,τι συμβαίνει μέσα σ’ αυτό. Πώς λοιπόν εκτοξεύουμε τώρα ένα ερώτημα όπως το παραπάνω; Δεν θα επιχειρήσουμε να το απαντήσουμε προτού διατυπώσουμε το ερώτημα λίγο διαφορετικά. Υπάρχει σύμπαν, σημαίνει πρώτ’ απ’ όλα ότι υπάρχει η ύλη και η ενέργεια που το αποτελούν. Στην πραγματικότητα, μπορούμε να λέμε απλώς ότι υπάρχει η ενέργεια του σύμπαντος, διότι, αν έχεις την αναγκαία ενέργεια (σε οποιαδήποτε μορφή), αυτή μπορεί πάντα να μετασχηματιστεί σε οτιδήποτε άλλο χρειάζεται – σωματίδια, φως κ.λπ. – χάρη στη νέα φυσική που γεννήθηκε από τον λαμπρό εκείνο γάμο κβαντομηχανικής και σχετικότητας. Και η οποία επιτρέπει να γίνονται όλες οι δυνατές αλληλομετατροπές ύλης και ενέργειας, αρκεί να μην παραβιάζονται οι αρχές διατήρησης και η διατήρηση της ενέργειας πρώτη απ’ όλες. Το αναδιατυπωμένο ερώτημά μας είναι λοιπόν τούτο: Γιατί να υπάρχει η ενέργεια με την οποία είναι «προικισμένο» το σύμπαν από τη γέννησή του; Γιατί αυτή είναι η «προίκα» του, θα λέγαμε λίγο χιουμοριστικά, με παλαιομοδίτικη διατύπωση. Διότι σύμπαν χωρίς ενέργεια δεν νοείται, οπότε η ερώτηση ίσως και να μην είναι μια καθαρή ταυτολογία. Θα γίνει όμως μη τετριμμένη, αν τη διατυπώσουμε πιο ειδικά ως εξής: Καλά, και πόση ακριβώς ενέργεια χρειάζεται το σύμπαν για να είναι ένα … σοβαρό σύμπαν; Ή, έστω, πόση ενέργεια ανά μονάδα όγκου, αν είναι άπειρο; Μπορεί να είναι όση λίγη θέλουμε ή όση πολλή θέλουμε;
Όμως, στην τελευταία εκδοχή του ερωτήματος – και ιδιαίτερα στο πρώτο σκέλος του -, η απάντηση ήταν πάντα ίδια με όσες είπαμε προηγουμένως. Αν το σύμπαν μας ήταν ήταν τα κβαντικά μπαλάκια του πιγκ πογκ, τι θα λέγαμε; Θα μπορούσε αυτό το σύμπαν να έχει όσο λίγη ενέργεια θέλουμε; Προφανώς όχι, θα απαντούσαμε αμέσως. Αυτό το… «επιτραπέζιο σύμπαν(!)» όχι μόνο δεν μπορεί να έχει μηδενική ενέργεια, όπως το κλασικό αδέλφι του, αλλά υποχρεούται να έχει τουλάχιστον όση του επιβάλλει η αρχή της αβεβαιότητας. Θα μπορούσε να έχει περισσότερη; Βεβαίως θα μπορούσε, όπως μπορεί και ένα άτομο. Για το οποίο ξέρουμε ότι, εκτός από τη θεμελιώδη του κατάσταση – δηλαδή την κατάσταση ελάχιστης ενέργειας – μπορεί να βρίσκεται και σε μια διεγερμένη κατάσταση με μεγαλύτερη ενέργεια από την ελάχιστη. Και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η πιο ενδιαφέρουσα κατάσταση του είναι σίγουρα η θεμελιώδης. Όχι μόνο γιατί με αυτήν συμμετέχει στους χημικούς δεσμούς, αλλά κυρίως διότι είναι η απλούστερη από όλες. Έχει όλες τις μαθηματικές συμμετρίες του προβλήματος. Θυμηθείτε εκείνο το υπέροχο σφαιρικό μπαλάκι στο ισόγειο!
Γιατί λοιπόν να μην υποθέσουμε ότι και το ίδιο το σύμπαν βρίσκεται στην κατάσταση της ελάχιστης δυνατής ενέργειας που επιτρέπουν οι κβαντικοί νόμοι; Δηλαδή στη θεμελιώδη του κατάσταση; Τίποτα περισσότερο από όσο είναι υποχρεωτικό. Και αυτή είναι πράγματι η υπόθεση που κάνουμε σήμερα. Το σύμπαν βρίσκεται στην κατάσταση ελάχιστης δυνατής ενέργειας. Η αρχή της οικονομίας της φύσης στη δικαιότερη εφαρμογή της. Το κομψό και ολιγαρκές σύμπαν: Τίποτα το περιττό. Το σύμπαν γεννήθηκε έχοντας όση ενέργεια δεν μπορούσε παρά να έχει! Δεν χρωστάει τίποτα σε κανέναν. Την ενέργεια που έχει του την έδωσε η αρχή της αβεβαιότητας. Αν είναι ένα κβαντικό σύστημα – δηλαδή ένα σύμπαν που διέπεται από τους κβαντικούς νόμους -, τότε όλα τα υπόλοιπα ήταν υποχρεωτικά. Από την ύπαρξη της αρχικής του ενέργειας μέχρι τις ανομοιομορφίες στην κατανομή της που πυροδότησαν την εξέλιξη του έως τη μορφή που σήμερα γνωρίζουμε.
Η αρχή της αβεβαιότητας- Το φάντασμα της όπερας, όπως την είπαμε – είναι λοιπόν ο μυστικός συνθέτης – και μαέστρος ταυτόχρονα – όλης εκείνης της θαυμαστής αλληλουχίας κοσμικών γεγονότων που επέτρεψαν στο σύμπαν να φτάσει ως την αυτογνωσία. Ώστε να μπορούν κάποτε οι εμείς σήμερα εδώ- και ποιος ξέρει πόσοι άλλοι στους κατάλληλους πλανήτες – να διηγηθούμε την ιστορία του: και τη δική τους.
Η αλληγορία του φαντάσματος της όπερας, για τον ρόλο της αρχής της αβεβαιότητας στο σύμπαν, δεν είναι τυχαία. Στο πασίγνωστο μιούζικαλ- ένα από τα δημοφιλέστερα στην ιστορία του είδους -, το φάντασμα είναι ένας ιδιοφυής συνθέτης με παραμορφωμένο πρόσωπο, ο οποίος διευθύνει τις παραστάσεις από το σκοτεινό υπόγειο της Όπερας του Παρισιού. Οι θεατές απολαμβάνουν τις δημιουργίες του, το πρόσωπό του όμως αρνούνται να το αντικρίσουν· το αποστρέφονται.
Στο υπόγειο – στο έγκατα της ύλης – είναι επίσης εγκατεστημένο και το φάντασμα της αρχής της αβεβαιότητας, ο θεμελιώδης νόμος που κυβερνά. Εκεί γράφεται η μουσική και από εκεί «διευθύνονται» όλα όσα συμβαίνουν επί σκηνής. Στο θέατρο του δικού μας «χειροπιαστού» μακρόκοσμου· του δικού μας κλασικού κόσμου.
Και όπως συμβαίνει πάντα, όταν πρόκειται για αρχέγονες δημιουργικές δυνάμεις, τα φαντάσματα δεν έχουν… αγγελικό πρόσωπο. Το πρόσωπο της επιστήμης που μας αποκάλυψε η αρχή της αβεβαιότητας – το πρόσωπο της κβαντομηχανικής – δεν είναι λιγότερο εκφοβιστικό από εκείνο του ιδιοφυούς συνθέτη στο υπόγειο. Αντίθετα – με εξαίρεση, ίσως, τις μαύρες τρύπες – , είναι ό,τι πιο παράξενο και συχνά αλλόκοτο χρειάστηκε να διαχειριστεί μέχρι τώρα το ανθρώπινο μυαλό.
Με αυτό το «εκφοβιστικό» πρόσωπο των κβαντικών νόμων – το πρόσωπο του φαντάσματος – προσπαθήσαμε να συμφιλιώσουμε τους αναγνώστες του βιβλίου σε όλη τη κοινή μας πορεία μέχρι εδώ. Ζητώντας τους μόνο ένα πράγμα: Να αφήσουν για λίγο τις προκαταλήψεις τους απέναντι στο πρόσωπο του συνθέτη – απέναντι στις παράξενες νέες ιδέες που φέρνει μαζί του – και να απολαύσουν τη μουσική. Την εξήγηση του κόσμου. Την παράσταση που μόλις τελείωσε: τη Συμφωνία της Ζωής.
Ας αφεθούμε να ακούσουμε τη μουσική λοιπόν· τη μουσική του κόσμου.»
Στις 8 Νοεμβρίου 2025 και ώρα 18:30 στο Γαλλικό Ινστιτούτο (Auditorium Théo Angelopoulos) θα πραγματοποιηθεί η τιμητική εκδήλωση «Στέφανος Τραχανάς: Ο μαθητής και ο δάσκαλος». Είσοδος ελεύθερη. Η ομιλία του Στέφανου Τραχανά θα έχει τίτλο: «Στον δρόμο τον λιγότερο περπατημένο» (https://cup.gr/ekdiloseis/timitiki-ekdilosi/ – www.ifg.gr/events)
Η απάντηση σε αυτό το φαινομενικά απλό ερώτημα δεν είναι τόσο εύκολη
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συμμετέχουν στον σχηματισμό των πυρήνων των ατόμων, τα φωτόνια που αντιλαμβανόμαστε ως φως και τα ηλεκτρόνια που δημιουργούν την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, είναι πολύ μικροσκοπικά σωματίδια. Έτσι, παρότι αποτελούν την βάση της καθημερινής μας πραγματικότητας, τείνουν να διαφεύγουν της αντίληψής μας – και της κατανόησής μας.
Στο σχολείο, συνήθως μας διδάσκουν να φανταζόμαστε τα σωματίδια ως μικροσκοπικές, πολύχρωμες σφαίρες, σαν να ήταν στερεά αντικείμενα που με έναν «χάρακα» θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε τις διαστάσεις τους όπως θα κάναμε για οποιοδήποτε άλλο φυσικό αντικείμενο στον κόσμο. Αλλά τα υποατομικά σωματίδια δεν μοιάζουν καθόλου με κάτι τέτοιο. Κι ενώ, για τα μεγαλύτερα σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, υπάρχουν τρόποι για να μετρήσουμε το «μέγεθός» τους με μια πολύ γενική έννοια, για εκείνα που είναι μικρότερα και φαινομενικά πιο «θεμελιώδη», τα επονομαζόμενα στοιχειώδη σωματίδια, η ίδια η έννοια του μεγέθους είναι τόσο ασαφής που καθίσταται σχεδόν άνευ νοήματος.
Τι μπορούμε λοιπόν να απαντήσουμε στην εύλογη ερώτηση «Ποιο είναι το μικρότερο σωματίδιο στο σύμπαν;»
Υπάρχουν πολλές έννοιες για τη λέξη «μικρό». Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να πούμε ότι μια μπάλα από βαμβάκι είναι «μικρή» επειδή είναι πολύ ελαφριά. Ή να πούμε ότι μια μικροσκοπική μεταλλική μπάλα είναι «μικρή» επειδή η ακτίνα της είναι πολύ μικρή, αλλά θα ζύγιζε πολύ περισσότερο από τη μπάλα από βαμβάκι.
Υπάρχει διαφορά μεταξύ ενός σωματιδίου που είναι «μικρότερο» σε μάζα και ενός σωματιδίου που είναι «μικρότερο» σε διάμετρο. Υπάρχει επίσης και μια άλλη σημαντική διαφορά που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Μια λειτουργική διάκριση μεταξύ δύο διαφορετικών κατηγοριών σωματιδίων: φερμιόνια ή σωματίδια «ύλης» όπως τα πρωτόνια ή ηλεκτρόνια που αποτελούν τα πάντα στο σύμπαν και μποζόνια ή σωματίδια «φορείς» δυνάμεων, όπως τα φωτόνια που μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ των φερμιονίων.
Και η πιο βασική διάκριση: υπάρχει η κατηγορία των λεγόμενων στοιχειωδών σωματιδίων, τα οποία «χτίζουν» όλα τα υπόλοιπα σωματίδια. Είτε πρόκειται για φερμιόνιο είτε για μποζόνιο, οι φυσικοί θεωρούν ένα σωματίδιο «στοιχειώδες» εφόσον δεν μπορεί να διασπαστεί περαιτέρω με οποιαδήποτε διαθέσιμη τεχνολογία. Υπό αυτή την έννοια, ορισμένα σχετικά γνωστά σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια. Αν δώσετε την κατάλληλη «σφαλιάρα» σε ένα πρωτόνιο θα διασπαστεί σε κουάρκ, τα οποία θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια.
Έτσι, όσον αφορά το φυσικό μέγεθος, πιθανότατα θα σκεφτόσασταν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια θα ήταν «μικρότερα» από τα μη στοιχειώδη. Αλλά εκεί είναι που τα πράγματα γίνονται πραγματικά περίπλοκα. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο ενσωματώνει όλα τα γνωστά σωματίδια και τις δυνάμεις, εκτός από την βαρύτητα, επιτυγχάνοντας εξωφρενικά ακριβείς φυσικές προβλέψεις, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν κανένα μέγεθος. Δηλαδή, το να ρωτάμε αν το ένα είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από το άλλο είναι μια ανόητη ερώτηση, παρόμοια με το να αναρωτιόμαστε τι είναι βόρεια του βορείου πόλου ή να προσπαθούμε να διαιρέσουμε με το μηδέν.
Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι Ευκλείδεια σημεία. Δεν είναι ούτε καν μονοδιάστατα. Τα θεωρούμε ως σημεία [μηδενικής διάστασης] που δεν έχουν καθορισμένη θέση. Έτσι, αντί να σκεφτόμαστε τα ηλεκτρόνια ως μικρές μπάλες που περιφέρονται γύρω από έναν ατομικό πυρήνα, στην πραγματικότητα, θα πρέπει να τα σκεφτόμαστε ως ένα νέφος [πιθανοτήτων].
Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια φαίνεται να είναι έτσι, χωρίς να δείχνουν σημάδια βαθύτερης εσωτερικής δομής. Συνεχίζουμε να δοκιμάζουμε για να δούμε αν υπάρχει κάποια χωρική έκταση που να σχετίζεται με αυτά, αλλά δεν βλέπουμε καμία ένδειξη ότι υπάρχει κάτι μέσα σε αυτά τα σωματίδια.
Οι φυσικοί αρέσκονται να παρακάμπτουν αυτήν την αβεβαιότητα κάνοντας κάποιους αντίστροφους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας την περίφημη εξίσωση του Albert Einstein E = mc2, η οποία ποσοτικοποιεί την ισοδυναμία μεταξύ ενέργειας και μάζας. Συγκεκριμένα, τέτοιοι υπολογισμοί συνήθως περιλαμβάνουν το ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Einstein βρίσκουμε ότι το ηλεκτρόνιο ζυγίζει ουσιαστικά περίπου 0,51 MeV/c2 – δηλαδή, περίπου 9,109×10–31 kg. Σε σύγκριση, το «ελαφρύτερο» κουάρκ, το πάνω κουάρκ, έχει τετραπλάσια και πλέον μάζα, ζυγίζοντας περίπου 2,14 MeV/c2.
Όσο μικρές κι αν είναι αυτές οι τιμές, εξακολουθούν να είναι πολύ μεγαλύτερες από το «μηδέν», που είναι η μάζα κάποιων άλλων σωματιδίων. Αυτά τα λεγόμενα άμαζα σωματίδια είναι αναμφισβήτητα οι καλύτεροι υποψήφιοι και για τα «μικρότερα» σωματίδια.
Μία Ερώτηση, Πολλές Απαντήσεις
Αν μιλάμε για μποζόνια ή τα σωματίδια-φορείς δυνάμεων, ο σαφής νικητής του ανταγωνισμού για το «μικρότερο σωματίδιο του σύμπαντος» θα ήταν το άμαζο φωτόνιο. (Τα γλοιόνια – μποζόνια που συνδέουν τα κουάρκ μεταξύ τους- θεωρούνται επίσης άμαζα, αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να μελετηθούν επειδή συνήθως παγιδεύονται μέσα σε πρωτόνια και νετρόνια).
Αν μιλάμε για φερμιόνια, τα σωματίδια που είναι τα δομικά στοιχεία της ύλης – μια λογική εικασία για το μικρότερο σωματίδιο του σύμπαντος θα ήταν το νετρίνο. Αυτή είναι μια «εικασία» επειδή δεν γνωρίζουμε ακόμα την ακριβή μάζα του νετρίνο με βεβαιότητα, αν και είμαστε σίγουροι ότι δεν είναι μηδέν. Για να πάρουμε μια ιδέα για την μάζα του νετρίνο, πιθανότατα ζυγίζει περίπου 0,45 eV/c2 – λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου!
Αλλά και πάλι, αυτή είναι μόνο μια προσέγγιση που οι φυσικοί τείνουν να χρησιμοποιούν όταν εξετάζουν το μέγεθος ενός σωματιδίου. Όπως συμβαίνει σε πολλά είδη επιστημονικής έρευνας, η απάντηση που παίρνουμε εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πώς ακριβώς θέτουμε το ερώτημα.
Στα πρώτα στάδια της θερμής Μεγάλης Έκρηξης, στο σύμπαν επικρατούσαν απίστευτα υψηλές θερμοκρασίες. Αλλά κατά τη διάρκεια των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών της ιστορίας του σύμπαντός μας, ο χώρος διαστέλλεται και το σύμπαν ψύχεται. Σήμερα η θερμοκρασία του σύμπαντος είναι ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Κάποια στιγμή λοιπόν, στο κοσμικό μας παρελθόν το «κλίμα του σύμπαντος πρέπει να ήταν παντού εύκρατο», η θερμοκρασία του σύμπαντος να ήταν 273–300 Κ (0–30 °C). Τίθεται λοιπόν το ερώτημα: όταν στο σύμπαν επικρατούσε … «θερμοκρασία δωματίου» , θα μπορούσε να προκύψει νερό σε υγρή μορφή και πιθανόν να αναπτυχθεί κάποια μορφή ζωής;
Το σύμπαν μας, όπως το παρατηρούμε σήμερα είναι τεράστιο, με τρισεκατομμύρια διάσπαρτους γαλαξίες, καθένας από αυτούς να περιέχει εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα. Είναι όμως και εξαιρετικά ψυχρό. Εκτός από το φως των άστρων που θερμαίνει την ύλη τοπικά, υπάρχει μόνο ένα πολύ χαμηλής ενέργειας υπόβαθρο ακτινοβολίας που προέρχεται από το ίδιο το σύμπαν: ένα θερμικό λουτρό ακτινοβολίας μέλανος σώματος που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 2,725 K (ή -270,3 oC), λιγότερο από τρεις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Το σύμπαν μας διαστέλλεται και ψύχεται τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Στην αρχή, ήταν μικρότερο, πυκνότερο, πιο ομοιόμορφο, αλλά και θερμότερο. Στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης οι θερμοκρασίες που επικρατούσαν στο σύμπαν ξεπερνούσαν (σε ενεργειακή αντιστοιχία) κατά πολύ ακόμη και τις τεράστιες θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Σε κάποιο σημείο της κοσμικής ιστορίας η θερμοκρασία του σύμπαντος θα ήταν ίση με αυτό που αποκαλούμε «θερμοκρασία δωματίου» – περίπου 300 K (ή 27 oC). Τότε θα επικρατούσαν οι τέλειες συνθήκες για την ύπαρξη υγρού νερού. Κι αν υπήρχαν τα κατάλληλα δομικά υλικά (άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο κλπ), ίσως θα μπορούσε να σχηματιστεί κάποια μορφή ζωής, πολύ πριν αυτή εμφανιστεί στη Γη.
Για να εξετάσουμε την ενδιαφέρουσα αυτή εκδοχή πρέπει να βάλουμε τα πράγματα με τη σειρά: Πρώτα να βρούμε πότε το σύμπαν είχε θερμοκρασία γύρω στους 25 oC και στη συνέχεια, ποιά στοιχεία είχαν σχηματιστεί μέχρι τότε. Αν το σύμπαν έφτασε σε θερμοκρασία δωματίου, αφού είχαν σχηματιστεί, έζησαν και πέθαναν τα πρώτα άστρα εμπλουτίζοντας το σύμπαν με βαριά στοιχεία, τότε θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί νερό, μακρομόρια και πιθανόν κάποιες μορφές ζωής.
Αν χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για το διαστελλόμενο σύμπαν, δεν είναι δύσκολο(*) να εκτιμήσουμε την σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: και να πάρουμε μερικές ενδιαφέρουσες τιμές για την θερμοκρασία (T) του σύμπαντος σε διάφορες χρονικές στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη:
● T=100 K για t=76 εκατομμύρια χρόνια,
● T=251 K για t=19 εκατομμύρια χρόνια,
● T=273 K για t=17 εκατομμύρια έτη, και
● T=300 K για t=14 εκατομμύρια χρόνια. Επομένως από 14 έως 17 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία του σύμπαντος είχε φτάσει περίπου στους 300 – 273 Κ (30°C – 0°C), δηλαδή ήταν κοντά σ’ αυτό που λέμε θερμοκρασία δωματίου. Το «κλίμα» του σύμπαντος τότε ήταν παντού εύκρατο κι αν μέχρι τότε υπήρξαν άστρα ώστε να δημιουργήσουν βαρύτερα στοιχεία, τότε θα μπορούσαν να προκύψουν τα κάταλληλα βιομόρια και ίσως κάποια μορφή ζωής όπως την γνωρίζουμε σήμερα.
Οι εκτιμήσεις για το πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα στο σύμπαν μας, ποικίλλουν: από t=28 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη (και θερμοκρασία T=193 K) έως t=98 εκατομμύρια χρόνια (και θερμοκρασία T=84 K). Όμως είδαμε, πως η εποχή που το σύμπαν είχε θερμοκρασία δωματίου ήταν αρκετά εκατομμύρια χρόνια πριν. Μπορεί κάποιος να ρωτήσει, «είναι πιθανό να σχηματίστηκαν άστρα ακόμη νωρίτερα σε σχέση με ό,τι δείχνουν τα θεωρητικά μοντέλα και οι προσομοιώσεις;» Ίσως είναι δυνατό, αλλά ένα τέτοιο σενάριο θα απαιτούσε κάποιο είδος νέας φυσικής.
Σύμφωνα με τις αποδεκτές αστροφυσικές θεωρίες τα πρώτα 10 με 20 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν δεν είχε εμπλουτιστεί ακόμα με τα άφθονα βαριά στοιχεία που διαχέονται στο σύμπαν όταν τα άστρα πεθαίνουν ως σουπερνόβα. Επομένως, δεν υπήρχαν τα χημικά στοιχεία που συμμετέχουν στην δημιουργία ζωντανών οργανισμών, όταν επικρατούσε θερμοκρασία δωματίου στο σύμπαν.
Μήπως υπήρξε κάποια μορφή βιοχημείας πολύ διαφορετική από αυτή που γνωρίζουμε; Πριν τον σχηματισμό των πρώτων άστρων στο σύμπαν τα μόνα συστατικά που υπήρχαν ήταν: 92% γυμνά πρωτόνια, ή «κανονικό» υδρογόνο, ~8% πυρήνες ηλίου-4, ~0,001%, και αμελητέες ποσότητες κάποιων βαρύτερων στοιχείων.
Εκτός του μονοατομικού υδρογόνου (Η) και του ηλίου (Ηe), μπορούν να υπάρξουν κυρίως δύο απλούστατοι τύποι μορίων: ουδέτερο αέριο υδρογόνο (H2) και υδρίδιο του ηλίου (HeH+). Αλλά αυτά τα άτομα και μόρια δεν μπορούν να συμμετάσχουν στο είδος των χημικών αντιδράσεων που οδηγούν σε μεταβολισμό, που εξάγουν ενέργεια από το περιβάλλον για να δημιουργήσουν σύνθετες, διαφοροποιημένες δομές (ακόμα και απλές μοριακές δομές) που να διεξάγουν ζωτικές διεργασίες και να διαθέτουν την ικανότητα κωδικοποίησης πληροφοριών που θα οδηγήσουν σε αναπαραγωγή ή αυτοαναπαραγωγή. Απαιτείται μια ευρύτερη ποικιλία μορίων, από στοιχεία βαρύτερα του υδρογόνου και του ηλίου, που σχηματίζουν πολυπλοκότερα μόρια, ικανά για πιο σύνθετες διεργασίες. Κι αυτό σημαίνει ότι προαπαιτείται η ύπαρξη εργοστασίων παραγωγής βαρύτερων στοιχείων, δηλαδή των άστρων.
Εν κατακλείδι, πράγματι υπήρξε μια χρονική περίοδος στην ιστορία του σύμπαντος, μεταξύ περίπου 14 και 17 εκατομμυρίων ετών μετά τη Έκρηξη, όπου η επικρατούσα θερμοκρασία ήταν μεταξύ 0 – 30 °C. Αυτή η θερμοκρασία θα επέτρεπε μεγάλες ποσότητες υγρού νερού να επιπλέουν στο διάστημα και ίσως να συντηρούν κάποια μορφή ζωής όπως την γνωρίζουμε σήμερα. Αλλά μέχρι εκείνη την χρονική περίοδο δεν είχαν σχηματιστεί τα πρώτα άστρα που θα παρήγαγαν τα απαραίτητα βαρύτερα στοιχεία της βιοχημείας, όπως το οξυγόνο, ο άνθρακας, το άζωτο κ.ο.κ. Η ζωή μπορεί πράγματι να έχει δημιουργηθεί νωρίτερα από ό,τι υποψιάζονται οι περισσότεροι επιστήμονες σήμερα, αλλά όχι τόσο νωρίς, όσο όταν στο σύμπαν επικρατούσε παντού θερμοκρασία δωματίου!
(*) Όταν ένας γαλαξίας απομακρύνεται από εμάς τότε οι χαρακτηριστικές γραμμές του φάσματος που εκπέμπει μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift). H μετατόπιση προς το ερυθρό z δικαιολογεί την διαστολή του σύμπαντος και συσχετίζεται με τον παράγοντα κλίμακας (scale factor) R(t) και την σταθερά του Hubble που ορίζεται ως: . Αποδεικνύεται (δείτε ΕΔΩ) ότι η ερυθρομετατόπιση z συνδέεται με τον παράγοντα κλίμακας με την σχέση: . Επιπλέον, εφαρμόζοντας το νόμο του Wien για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μπορούμε εύκολα να βρούμε την σχέση θερμοκρασίας Τ με την ερυθρομετατόπιση z και τον παράγοντα κλίμακας: , όπου Τ0=2,725 K. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την ‘εξίσωση της διαστολής του σύμπαντος‘ ή εξίσωση του Friedmann , όπου R o παράγοντας κλίμακας του σύμπαντος και ρ η πυκνότητά του, και θεωρώντας ότι , μετά από κάποιες πράξεις προκύπτει η σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: , όπου Τ0=2,725 Κ και t0 =13,8 δισεκατομμύρια χρόνια (η σημερινή ηλικία του σύμπαντος).
Πώς θα γίνουν οι μελλοντικές ανακαλύψεις στη Φυσική
Τι έρχεται μετά την εποχή των γιγάντιων επιταχυντών; Μπορεί το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων να έχει εξηγήσει ένα μεγάλο φάσμα φαινομένων με εκπληκτική ακρίβεια, ωστόσο πολλά ερωτήματα παραμένουν ακόμα αναπάντητα: Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής δύναμη σε σχέση με τις άλλες; Γιατί το σύμπαν είναι τόσο αχανές;
Στο πλαίσιο της 25ης επετείου του Ινστιτούτου Perimeter ο Σάββας Δημόπουλος έδωσε μια διάλεξη (μπορείτε να την παρακολουθήσετε είτε στο παραπάνω βίντεο, είτε σ’ αυτό που βρίσκεται στο τέλος της ανάρτησης), όπου εξηγεί γιατί οι επόμενες μεγάλες ανακαλύψεις στη Φυσική θα έρθουν από υψηλής ακρίβειας και μικρής κλίμακας πειράματα ολιγομελών ομάδων, με την χρήση εξαιρετικά ευαίσθητων εργαλείων.
Σύμφωνα με τον Σάββα Δημόπουλο, τα περισσότερα που έχουμε μάθει στη φυσική τα τελευταία 80 χρόνια ήταν διαμέσου ερευνών από μεγάλες συνεργασίες φυσικών. Τώρα μεταβαίνουμε σε μια νέα εποχή όπου η έρευνα γίνεται με μικρότερες ερευνητικές ομάδες, οι οποίες αγωνίζονται να βρούν απαντήσεις σε αναπάντητα μέχρι σήμερα θεμελιώδη ερωτήματα.
Ξεκινά την ομιλία του με το ερώτημα «τι είναι η Φυσική;«, αναφέροντας την ετυμολογία της λέξης από την ελληνική λέξη «Φύσις» και εξηγώντας πως ο σκοπός της Φυσικής είναι να οικοδομήσει μια θεωρία που να εξηγεί τα πάντα στο σύμπαν. Η Φυσική χρησιμοποιεί δύο βασικά εργαλεία για να το κάνει αυτό. Το ένα είναι τα μαθηματικά και το άλλο το πείραμα. Και τα δύο είναι εξίσου σημαντικά. Τα μαθηματικά είναι απλώς η έκφραση των φυσικών νόμων με μαθηματικούς τύπους. Και ο σκοπός του πειράματος είναι να καταλάβουμε τι είναι στην πραγματικότητα είναι αληθινό μέσω της παρατήρησης.
Αναφέρεται στους Πυθαγόρειους που συνειδητοποίησαν ότι τα μαθηματικά είναι σχετικά με τη φύση υποστηρίζοντας πως ο θεός γεωμετροποιεί τα πάντα. Και μας υπενθυμίζει τον Eugene Wigner που το 1960 έγραψε ένα πολύ ωραίο δοκίμιο με τίτλο «Η παράλογη αποτελεσματικότητα των μαθηματικών στις φυσικές επιστήμες». Τα μαθηματικά είναι ένα υπέροχο δώρο, για εμάς τους μικροσκοπικούς ανθρώπους πάνω σε έναν μικροσκοπικό βράχο, ενός απέραντου σύμπαντος. Μπορούμε να καταλάβουμε τα μαθηματικά, να κατανοήσουμε τη γλώσσα της φύσης και να καταλάβουμε τι συμβαίνει παντού στο σύμπαν.Τα μαθηματικά δεν είναι μόνο η γλώσσα της φύσης. Είναι σαν να έχεις έναν εξαιρετικά ισχυρό φίλο. Αν του δώσετε τους σωστούς κανόνες και κάνετε μια καλά καθορισμένη ερώτηση, θα σας δώσει την απάντηση. Όσο πιο ακριβής είναι η ερώτηση, τόσο πιο ακριβής θα είναι η απάντηση που θα πάρετε. Είναι λοιπόν ένα θαυματουργό εργαλείο. Είναι θεϊκό. Και η δύναμη των μαθηματικών έχει κάνει τους φυσικούς να λατρεύουν τα μαθηματικά. Αλλά, υπάρχει και κάτι που είναι εξίσου σημαντικό με τα μαθηματικά (ή τη θεωρία), κι αυτό είναι το πείραμα. Μάλιστα το πείραμα έχει και τον τελευταίο λόγο.
Ο Richard Feynman, είχε πει, ότι, δεν έχει σημασία πόσο όμορφες είναι οι θεωρίες σας. Δεν έχει σημασία πόσο έξυπνοι είστε. Αν δεν συμφωνoύν με το πείραμα, είναι λάθος. Και βέβαια, η Φυσική χωρίς πειραματική επιβεβαίωση δεν περιγράφει πραγματικά τη φύση. Είναι το «εύρηκα» του Αρχιμήδη. Αλλά και ο Αρχιμήδης, όπως και ο Ερατοσθένης που μέτρησε την ακτίνα της Γης πριν από 2400 χρόνια, ήταν στην πραγματικότητα μαθηματικοί. Ο Νεύτωνας ήταν θεωρητικός και έκανε επίσης πειράματα π.χ. στην οπτική. Ένα αντίθετο παράδειγμα σε αυτόν τον κανόνα είναι ο Faraday. Ο Faraday δεν ανήκε στη βρετανική αριστοκρατία. Έτσι, δεν έμαθε λογισμό, δεν έμαθε τριγωνομετρία, αλλά ήταν αναμφισβήτητα ένας από τους μεγαλύτερους πειραματιστές όλων των εποχών. Ανακάλυψε πολλές πτυχές του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού και εισήγαγε την έννοια του πεδίου. Ο τρόπος που κατανοούσε την Φυσική ήταν διαισθητικός.
Μέχρι τη δεκαετία το 1940, πολλοί από τους μεγάλους φυσικούς όπως ο Fermi, ήταν ταυτόχρονα θεωρητικοί και πειραματιστές.Αλλά, όλα τα πειράματα μέχρι τότε ήταν πειράματα μικρής κλίμακας. Η μετάβαση στην εποχή της μεγάλης επιστήμης ξεκίνησε με το Manhattan projectτο 1942. Έκτοτε ο κόσμος κατάλαβε ότι η επιστήμη είναι σημαντική και άρχισε να διοχετεύεται σ’ αυτή μεγάλη χρηματοδότηση. Το αποτέλεσμα, ήταν να κατασκευάζονται όλο και μεγαλύτερες πειραματικές διατάξεις.
Έτσι, ενώ οι επιταχυντές αρχικά ξεκίνησαν ως πειραματικές διατάξεις μερικών δεκάδων εκατοστών, σήμερα ο μεγαλύτερος επιταχυντής στον κόσμο έχει διάμετρο 27 χιλιόμετρα. Είναι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στη Γενεύη της Ελβετίας, τα πειράματα του οποίου ολοκλήρωσαν αυτό που ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Καθώς επιτυγχάνονταν όλο και μεγαλύτερες ενέργειες στους επιταχυντές σωματιδίων, μελετήθηκαν φαινόμενα που αφορούν όλο και περισσότερα υποπυρηνικά συστατικά και στοιχειώδη σωματίδια. Κι αυτό οδήγησε στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Ο καλύτερος τρόπος για να δείξουμε το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι μια εικόνα που προέρχεται από την ταινία που ονομάζεται «Πυρετός Σωματιδίων» . Πρόκειται για την εικόνα που ακολουθεί και μας δίνει μια ιδέα για τα διάφορα συστατικά του Καθιερωμένου Προτύπου. Στον εξωτερικό κύκλο περιέχονται τα στοιχειώδη σωματίδιακαι στον εσωτερικό τα σωματίδια-φορείς των αλληλεπιδράσεων:
Με αυτά τα σωματίδια και 20 παραμέτρους εξηγούνται, σχεδόν όλα όσα παρατηρούμε στο σύμπαν. Το Καθιερωμένο Πρότυπο, είναι μια απίστευτα επιτυχημένη θεωρία από πολλές απόψεις. Έχει ελεγχθεί εξονυχιστικά με πολυάριθμα πειράματα και επιβεβαιώθηκε με τεράστια ακρίβεια – σε κάποιες περιπτώσεις η μετρούμενη τιμή συμφωνεί με την θεωρητική μέχρι και το δωδέκατο δεκαδικό ψηφίο!
Αφού λοιπόν το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι μια τόσο σπουδαία θεωρία γιατί δεν μας ικανοποιεί και ψάχνουμε πέρα από αυτό; Ένας λόγος είναι ότι δεν μπορεί να περιγράψει την σκοτεινή ύλη (όπως και την σκοτεινή ενέργεια που αναφέρεται πιο κάτω.). Η συνηθισμένη ύλη, αυτή από την οποία είμαστε φτιαγμένοι είναι μόνο το 5% ττου σύμπαντος. Υπάρχει και η σκοτεινή ύλη που είναι πέντε φορές περισσότερη από την κανονική ύλη. Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει φως. Δεν ακτινοβολεί φως. Επομένως, δεν μπορούμε να τη δούμε. Αλλά ξέρουμε ότι υπάρχει επειδή μπορούμε να μετρήσουμε την βαρυτική της επίδραση στους γαλαξίες.
Ένας δεύτερος λόγος για τον οποίο θέλουμε να πάμε πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι οι όχι και τόσο λίγες παράμετροι και σωματίδια που απαιτούνται για την περιγραφή του, δείχνουν ότι μάλλον δεν είναι μια πραγματικά θεμελιώδης θεωρία.
Ένα άλλο αναπάντητο ερώτημα είναι το πώς γίνεται το σύμπαν να είναι τόσο μεγάλο; Με διαφορετικά λόγια, είναι το πρόβλημα τηςκοσμολογικής σταθεράς. Αποδεικνύεται ότι υπάρχει μια ποσότητα που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, η οποία γνωρίζουμε ότι αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας του σύμπαντος. Η αναμενόμενη τιμή της σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, είναι τέτοια ώστε το σύμπαν μας θα μεγάλωνε μόνο μέχρι το μέγεθος ενός χιλιοστού, περίπου. Για να προκύψει ένα σύμπαν πολύ μεγαλύτερο, πρέπει να τροποποιήσετε τη θεωρία, να βελτιώσετε κάποια παράμετρό της με απίστευτη ακρίβεια, περίπου 100 δεκαδικά ψηφία, και στη συνέχεια θα πάρετε ένα αρκετά μεγάλο σύμπαν.Αυτό ονομάζεται πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Είναι το πιο σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε σήμερα.
Και μετά υπάρχει το αναπάντητο πρόβλημα της ιεραρχίας. Το πρόβλημα της ιεραρχίας είναι απλά το ερώτημα γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής. Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη σε σύγκριση με τις άλλες δυνάμεις της φύσης; Ο Σάββας Δημόπουλος σ’ αυτό το σημείο της διάλεξής τουεκτελεί ένα απλούστατο πείραμα που αναδεικνύει το πόσο ασθενής είναι η δύναμη της βαρύτητας ενός τεράστιου πλανήτη όπως η Γη σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις στον ώμο του!
Στη συνέχεια, εξετάζει το πώς μπορούμε χτίσουμε μια θεωρία πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αναφέρεται στην αρχή του μινιμαλισμού, στο ότι δεν πρέπει να προσθέτουμε περισσότερα στοιχεία στη θεωρία μας από όσα είναι απαραίτητα. Αυτό επιτυγχάνεται με την ενοποίηση. Η ενοποίηση είναι η ιδέα ότι δύο πολύ διαφορετικά φαινόμενα μεταξύ τους, εξηγούνται από την ίδια αρχή. Για παράδειγμα, ο Νεύτωνας τον 17ο αιώνα μπόρεσε να ενοποιήσει τα ουράνια και τα γήινα φαινόμενα: η κίνηση της Σελήνης και των πλανητών υπακούουν στον ίδιο νόμο με τα μήλα που πέφτουν κάτω από την μηλιά. Κι αυτό ήταν η αρχή της σύγχρονης επιστήμης. Οι μικροσκοπικοί κάτοικοι ενός μικρού πλανήτη μπορούν να κάνουν πειράματα, πειράματα με μήλα που πέφτουν στο έδαφος και να ανακαλύψουν αλήθειες που ισχύουν παντού στο σύμπαν, σε μακρινούς γαλαξίες και οποιαδήποτε στιγμή, ακόμα και στο αρχέγονο σύμπαν, μέχρι και λίγες στιγμές μετά την δημιουργία του. Βρίσκουμε μια παγκόσμια αλήθεια που ισχύει παντού και ανά πάσα στιγμή, απλώς κάνοντας πειράματα στα εργαστήριά μας. Αυτό ήταν πολύ απελευθερωτικό.
Κι αυτή η συνταγή της ενοποίησης που άρχισε με τον Νεύτωνα επαναλήφθηκε τουλάχιστον δύο φορές. Αρχικά, ο Maxwell τον 19ο αιώνα έδειξε ότι ο ηλεκτρισμός, ο μαγνητισμός και το φως σχετίζονται μεταξύ τους, και περιγράφονται από ένα σύνολο όμορφων εξισώσεων, τις εξισώσεις του Maxwell:
Και στη συνέχεια, την δεκαετία του 1970, οι φυσικοί βρήκαν τον τρόπο να ενοποιήσουν τον ηλεκτρομαγνητισμό του Maxwell με την ασθενή πυρηνική δύναμη. Η ενοποίηση του ηλεκτρομαγνητισμού και της ασθενούς δύναμης στη λεγόμενη ηλεκτρασθενή δύναμη, ολοκληρώθηκε θεωρητικά τη δεκαετία του 1960 και επιβεβαιώθηκε πλήρως πειραματικά από διάφορους επιταχυντές, συμπεριλαμβανομένου του LHC.
Θα θέλαμε να συμπεριληφθούν στην ενοποίηση η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η δύναμη της βαρύτητας, ώστε προκύψει μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία, αλλά αυτό αποδεικνύεται εξαιρετικά δύσκολο. Είναι ένα εξαιρετικό πρόβλημα και υπάρχουν ιδέες πώς να το προσεγγίσουμε.
Αν συγκρίνετε την ηλεκτρική δύναμη και τη βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο στοιχειωδών σωματιδίων, ας πούμε ενός ηλεκτρονίου και ενός πρωτονίου, θα διαπιστώσετε ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι 40 τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ηλεκτρική δύναμη. Αλλά, αν δύο πράγματα είναι τόσο διαφορετικά αριθμητικά, πώς θα μπορούσαμε να τα ενοποιήσουμε σε μία οντότητα; Αυτό είναι ένα τεράστιο πρόβλημα και υπάρχουν προσπάθειες για την επίλυσή του από τη δεκαετία του 1970.
Μια τέτοια προσπάθεια είναι η θεωρία των επιπλέον διαστάσεων: Φανταστείτε ότι είμαστε δισδιάστατα όντα και ότι το τρισδιάσττο σύμπαν μας περιορίζεται σε δυο διαστάσεις όπως στην παραπάνω εικόνα. Αν στο σύμπαν μας υπάρχουν και επιπλέον διαστάσεις που δεν αντιλαμβανόμαστε ακόμα, στο παραπάνω σχήμα μια τέτοια διάσταση αντιπροσωπεύεται από το ύψος, την κάθετη στο επίπεδο.
Όλα τα πράγματα με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι, δηλαδή τα ηλεκτρόνια, το φως, τα άτομα κ.λπ., βρίσκονται πάνω στο δισδιάστατο επίπεδο του σχήματος (που όπως είπαμε αντιστοιχεί στο τρισδιάστατ σύμπαν μας). Εκτός από ένα. Την βαρύτητα. Φανταστείτε ότι η βαρύτητα δεν περιορίζεται στις χωρικές διαστάσεις του σύμπαντός μας, αλλά εξαπλώνεται, στις πιθανές επιπλέον διαστάσεις (το ύψος στο απλοποιημένο σχήμα μας). Αν συμβαίνει αυτό, τότε η βαρύτητα εξασθενεί εξαπλούμενη στον χώρο των επιπλέον διαστάσεων και γι αυτό την αντιλαμβανόμαστε ασθενέστερη σε σχέση με τις άλλες δυνάμεις. Μια καλύτερη αναλογία αυτού είναι η ροή ενός ποταμού, που εξασθενεί όταν ο ποταμός χωρίζεται σε παραποτάμους καθώς εξαπλώνεται σε επιπλέον χώρο.
Επειδή λοιπόν η βαρύτητα εξαπλώνεται στις επιπλέον διαστάσεις, γίνεται ασθενέστερη από τον ηλεκτρισμό.Αυτή είναι η ιδέα και φυσικά αυτή η ιδέα έχει μια πολύ ωραία μαθηματική αναπαράσταση, όπως η θεωρία χορδών. Μια άλλη αναλογία που βοηθά στην κατανόηση των παραπάνω είναι ένα τραπέζι μπιλιάρδου. Φανταστείτε την επιφάνεια του μπιλιάρδου ως αντίστοιχη του σύμπαντός μας. Οι μπάλες του μπιλιάρδου είναι τα στοιχειώδη σωματίδια ή οτιδήποτε αντιλαμβανόμαστε.
Καθώς οι μπάλες του μπιλιάρδου κινούνται, συγκρούονται στην δισδιάστατη επιφάνεια του μπιλιάρδου, αλλά παράγουν και ήχο πουδιαδίδεται και στην τρίτη διάσταση κάθετα προς το τραπέζι – κι αυτός ο ήχος αντιστοιχεί στη βαρύτητα. Στην βαρύτητα που διαχέεται στην επιπλέον διάσταση. Αυτό σημαίνει ότι μέρος της ενέργειας των σφαιρών διαχέεται και μεταφέρεται από τα ηχητικά κύματα. Έτσι, αν μετρήσετε την ενέργεια των σφαιρών πριν και μετά τη κρούση, θα διαπιστώσετε ότι κάποια ενέργεια χάθηκε στο ηχητικό κύμα. Κι αυτό θα μπορούσε να είναι μια ένδειξη ότι υπάρχει μια τρίτη επιπλέον διάσταση. Κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να εφαρμοστεί στις συγκρούσεις π.χ. πρωτονίων, εφόσον μπορούσανν να παράγουν βαρύτητα που εξαπλώνεται στις επιπλέον διαστάσεις κι αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την επονομαζόμενη ελλείπουσα ενεργειακή υπογραφή. Άρα και μια ένδειξη επιπλέον διαστάσεων.
Ένας άλλος τρόπος έρευνας για επιπλέον διαστάσεις είναι ο εξής: Όλοι γνωρίζουμε το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα. Ότι η δύναμη μεταξύ δύο μαζών μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα με την απόσταση. Όμως, αν υπάρχει ας πούμε μια επιπλέον διάσταση, τότε ο νόμος του Νεύτωνα αλλάζει, γίνεται αντιστρόφως ανάλογος του κύβου της απόστασης. Αν υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις που έχουν μέγεθος π.χ. 1 χιλιοστό και φέρετε δύο σωματίδια κοντά το ένα στο άλλο, πιο κοντά από ένα χιλιοστό, τότε θα διαπιστώσετε ότι ο νόμος του αντίστροφου τετράγωνου γίνεται νόμος του αντίστροφου κύβου και τέτοιες αποκλίσεις έχουν αναζητηθεί. Υπάρχουν πολλά πειράματα σε όλο τον κόσμο, που με βάση την παραπάνω ιδέα αναζητούν επιπλέον διαστάσεις. Πρόκειται για εντυπωσιακά ακριβή πειράματα μικρής κλίμακας, που αναμένεται να βελτιωθούν θεαματικά στο μέλλον.
Για να εξηγησουμε το πρόβλημα της ιεραρχίας πρέπει να θεωρήσουμε ότι υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις. Έχοντας κατά νου την απλοποιημένη εικόνα που χρησιμοποιήθηκε παραπάνω, με το δισδιάστατο σύμπαν και την επιπλέον διάσταση ως η κάθετη στο επίπεδο, τότε μπορούμε φανταστούμε δύο παράλληλα σύμπαντα ή, αν είστε θεωρητικός φυσικός τρία ή και περισσότερα.
Έτσι, το να έχουμε επιπλέον διαστάσεις υπονοείται αυτόματα η πιθανότητα να υπάρχουν παράλληλα σύμπαντα. Το πολυσύμπαν είναι μια εξήγηση γιατί το σύμπαν είναι τόσο μεγάλο και μπορεί να περιλαμβάνει νέα σωματίδια που θα μπορούσαμε να τα αναζητήσουμε με πολλούς τρόπους. Μπορεί αυτά τα σωματίδια να συνιστούν την σκοτεινή ύλη και να συμπεριφέρονται σαν κύματα ή σαν σωματίδια. Αλλά ένα πράγμα είναι σίγουρο: οι ιδιότητες είναι τέτοιες που τα περισσότερα από αυτά δεν παρατηρήθηκαν και ίσως δεν μπορούν να παρατηρηθούν στους τωρινούς επιταχυντές. Θα μπορούσαν όμως να αναζητηθούν με πειράματα μικρής κλίμακας. Πολλά τέτοια πειράματα μικρής κλίμακας έχουν γίνει, γίνονται και άλλα προτείνονται για το μέλλον.
Ο Σάββας Δημόπουλος στην ομιλία του παρουσιάζει το πώς τα «επιτραπέζια πειράματα» βαρύτητας, οι κβαντικοί αισθητήρες, τα εξαιρετικά σταθερά ατομικά ρολόγια, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων και οι έξυπνες υπογραφές «χαμένης ενέργειας» μπορούν να αποκαλύψουν νέα σωματίδια που διαφεύγυν από τους μεγάλους επιταχυντές. Συνυφαίνει την ιστορία (από τους Πυθαγόρειους μέχρι τον Feynman) με σαφείς αναλογίες (φύλλα χαρτιού, τραπέζια μπιλιάρδου και ποτάμια που χωρίζονται σε παραποτάμους) για να δείξει πώς τα μαθηματικά και το πείραμα μαζί αποκαλύπτουν την αλήθεια. Για να καταλήξει πως ολόκληρο το σύμπαν μας ίσως είναι μια ασήμαντη κουκκίδα σε ένα απέραντο πολυσύμπαν.
Αν λοιπόν σας ενδιαφέρει η σκοτεινή ύλη, η ασθενής βαρύτητα, οι επιπλέον διαστάσεις ή το πολυσύμπαν, στην διάλεξη που ακολουθεί θα βρείτε έναν χάρτη-οδηγό για το πώς και πού μπορεί να γίνει η επόμενη ανακάλυψη:
Καλλιτεχνική αναπαράσταση κατανομής της γνωστής μας ύλης στον διαγαλαξιακό χώρο. Αυτό το διαγαλαξιακό αέριο ήταν δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα μέχρι σήμερα επειδή είναι εξαιρετικά αραιό. Το μπλε χρώμα επισημαίνει τις πυκνότερες περιοχές του κοσμικού ιστού, και μεταπίπτει προς το κόκκινο για τις αραιότερες περιοχές. Credit: Jack Madden, IllustrisTNG, Ralf Konietzka, Liam Connor/CfA
Η συντριπτική πλειοψηφία της ύλης στο σύμπαν είναι η σκοτεινή ύλη, που είναι εντελώς αόρατη και ανιχνεύεται μόνο διαμέσου των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων. Η συνηθισμένη ύλη – από τα πρωτόνια μέχρι τους πλανήτες και τους ανθρώπους – αποτελεί μόνο το 16%. Σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, η συνηθισμένη ύλη εκπέμπει φως διαφόρων μηκών κύματος και επομένως μπορεί να ανιχνευθεί. Αλλά ένα μεγάλο μέρος της διαχέεται ανάμεσα στην άλω που περιβάλλει τους γαλαξίες, αλλά και στο απέραντο διάστημα μεταξύ των γαλαξιών. Αυτό το διαγαλαξιακό αέριο ήταν δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα μέχρι σήμερα επειδή είναι εξαιρετικά αραιό και γι αυτό θεωρείτο ως η «χαμένη» ύλη του σύμπαντος.
Σε μια νέα μελέτη, που δημοσιύεται στο Nature Astronomy με τίτλο «A gas rich cosmic web revealed by partitioning the missing baryons» , αναφέρεται για πρώτη φορά, η ανίχνευση αυτής της ελλείπουσας ύλης. Το επίτευγμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRB) από μακρινούς γαλαξίες.
Η εν λόγω έρευνα αποκάλυψε ότι το 76% της κανονικής ύλης του σύμπαντος βρίσκεται στον χώρο μεταξύ των γαλαξιών, την διαγαλαξιακή ύλη. Περίπου το 15% βρίσκεται στην άλω των γαλαξιων και το υπόλοιπο 9% συγκεντρώνεται μέσα σε γαλαξίες – σε άστρα, πλανήτες ή σε ψυχρό γαλαξιακό αέριο. Αυτή η κατανομή συμφωνεί με τις προβλέψεις από θεωρητικές κοσμολογικές προσομοιώσεις, αλλά ποτέ δεν είχε επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά μέχρι σήμερα.
Η μελέτη εξέτασε συνολικά 69 ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRB) που βρίσκονται σε αποστάσεις που κυμαίνονται από περίπου 11,74 εκατομμύρια έως την πιο μακρινή, περίπου 9,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός (πρόκειται για την FRB 20230521B, που κατέχει το ρεκόρ για της πιο μακρινής FRB που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα). Ενώ έχουν ανιχνευθεί περισσότερες από χίλιες FRB, μόνο για περίπου εκατό έχουν εντοπιστεί οι γαλαξίες προέλευσής τους. Με άλλα λόγια, η προέλευσή τους και οι αποστάσεις τους από τη Γη είναι γνωστές. Σ’ αυτές τις εντοπισμένες ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων βασίστηκε η έρευνα αποκάλυψης της «χαμένης» ύλης.
Από τις 69 εντοπισμένες FRBs στη μελέτη, οι 39 βρέθηκαν χρησιμοποιώντας το DSA (Deep Synoptic Array)-110, ένα δίκτυο 110 ραδιοτηλεσκοπίων στην Καλιφόρνια. Το ραδιοτηλεσκόπιο, το οποίο σχεδιάστηκε ειδικά για να εντοπίζει και να εντοπίζει FRBs, ανίχνευσε τα 39 γεγονότα και προσδιόρισε τον γαλαξία προέλευσής τους, ενώ όργανα στο Παρατηρητήριο WM Keck της Χαβάης και στο Παρατηρητήριο Palomar κοντά στο Σαν Ντιέγκο υπολόγισαν την απόστασή τους. Οι άλλε 30 FRBs στη μελέτη ανακαλύφθηκαν από τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο, κυρίως το Australian Square Kilometre Array Pathfinder.
Η «χαμένη» ύλη του σύμπαντος εντοπίστηκε χρησιμοποιώντας τις ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRBs) από μακρινούς γαλαξίες. Η εικόνα δείχνει την καλλιτεχνική απεικόνιση ενός τέτοιου ραδιοπαλμού (FRB) στο ταξίδι του μέσα από την ‘ομίχλη’ μεταξύ των γαλαξιών, γνωστή ως διαγαλαξιακή ύλη. Τα μεγάλα μήκη κύματος, που φαίνονται με κόκκινο, κινούνται πιο αργά σε σύγκριση με τα μικρότερα μήκη κύματος (μπλε χρώμα), επιτρέποντας στους αστρονόμους να «ζυγίσουν» την κατά τα άλλα αόρατη συνηθισμένη ύλη.
Αυτές οι FRBs, αν και από μόνες τους έχουν τεράστιο αστροφυσικό ενδιαφέρον, χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση της χαμένης (συνηθισμένης) ύλης. Καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν από τις πηγές των FRBs μέχρι τη Γη, σκεδάζονται σε διαφορετικά μήκη κύματος. Πρόκειται για το παρόμοιο φαινόμενο με την ανάλυση του φωτός στα χρώματα του ουρανίου τόξου από ένα πρίσμα. Ο βαθμός αυτής της διασποράς εξαρτάται από τήν ποσότητα της ύλης που συναντά το φως στην πορεία του.
Είναι σαν να βλέπουμε τη σκιά των βαρυονίων, με τις FRBs ως οπίσθιο φωτισμό. Αν δείτε ένα άτομο μπροστά σας, μπορείτε να μάθετε πολλά γι’ αυτό. Αλλά αν δείτε μόνο τη σκιά του, εξακολουθείτε να γνωρίζετε ότι βρίσκεται εκεί και περίπου πόσο μεγάλο είναι.
Αυτή η ανακάλυψη βοηθά τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι γαλαξίες. Δείχνει επίσης πώς οι FRBs μπορούν να βοηθήσουν σε κοσμολογικά προβλήματα, συμπεριλαμβανομένου του προσδιορισμού της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των σωματιδίων προβλέπει (λανθασμένα) ότι τα νετρίνα δεν θα πρέπει να έχουν μάζα. Όμως οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι αυτά τα σωματίδια διαθέτουν πάρα πολύ μικρή μάζα. Και η γνώση της ακριβούς μάζας των νετρίνων θα μπορούσε επομένως να οδηγήσει σε νέα φυσική
.
, είναι ότι η εξίσωση Wheeler-DeWitt δεν περιέχει μεταβλητή χρόνου. Η απουσία της χρονικής μεταβλητής μας δείχνει ότι το σύμπαν δεν εξελίσσεται ως προς κάποιον εξωτερικό χρόνο, δημιουργώντας το «πρόβλημα του χρόνου» στην κβαντική βαρύτητα. Αυτό έχει οδηγήσει ορισμένους φυσικούς και φιλοσόφους στην ιδέα ότι ο χρόνος δεν είναι θεμελιώδες συστατικό της πραγματικότητας, μια άποψη που θυμίζει τον Παρμενίδη πριν από δυόμισι χιλιάδες χρόνια.
, 
, που σημαίνει ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα με ακρίβεια το μέγεθος του σύμπαντος και την ταχύτητα διαστολής του. 
του παράγοντα κλίμακας(**) που αφορά το μέγεθος του σύμπαντος, ενώ η αβεβαιότητα στην ορμή Δp (ή της ταχύτητας mΔυ), αντιστοιχεί στην αβεβαιότητα της ταχύτητας διαστολής του σύμπαντος 
.
) είναι μια απόλυτη σταθερά. Στην εξίσωση της αβεβαιότητας του σύμπαντος, στο δεξί μέλος δεν βρίσκεται μια σταθερά αλλά μια έκφραση 
που εξαρτάται από το ίδιο το μέγεθος του σύμπαντος 
. Κι αυτό κάνει τις αβεβαιότητες εξαρτώμενες από το εκάστοτε μέγεθος του σύμπαντος.
και να πάρουμε μερικές ενδιαφέρουσες τιμές για την θερμοκρασία (T) του σύμπαντος σε διάφορες χρονικές στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη:
. Αποδεικνύεται 
. Επιπλέον, εφαρμόζοντας το νόμο του Wien 
για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μπορούμε εύκολα να βρούμε την σχέση θερμοκρασίας Τ με την ερυθρομετατόπιση z και τον παράγοντα κλίμακας: 
, όπου Τ0=2,725 K. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την 
, όπου R o παράγοντας κλίμακας του σύμπαντος και ρ η πυκνότητά του, και θεωρώντας ότι 
, μετά από κάποιες πράξεις προκύπτει η σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: 
, όπου Τ0=2,725 Κ και t0 =13,8 δισεκατομμύρια χρόνια (η σημερινή ηλικία του σύμπαντος).
