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
Στο σχολείο μαθαίνουμε ότι ο κόσμος λειτουργεί χάρη στην ενέργεια. Χρειαζόμαστε ενέργεια, από τη βενζίνη, τον ήλιο ή τα πυρηνικά καύσιμα. Χάρη στην ενέργεια λειτουργούν οι κινητήρες μας, τα φυτά μας αναπτύσσονται και ξυπνάμε (σχεδόν) κάθε πρωί γεμάτοι ζωντάνια.
Κάτι όμως δεν πάει καλά εδώ. Η ενέργεια – όπως επίσης μαθαίνουμε στο σχολείο – διατηρείται. Ούτε δημιουργείται εκ του μηδενός ούτε εξαφανίζεται. Εφόσον διατηρείται, γιατί πρέπει να εφοδιαζόμαστε διαρκώς με ενέργεια; Γιατί δεν μπορούμε απλά να χρησιμοποιούμε την ίδια ενέργεια;
Η αλήθεια είναι ότι υπάρχει άφθονη ενέργεια και ότι δεν καταναλώνεται. Δεν είναι, όμως, η ενέργεια που χρειάζεται ο κόσμος για να συνεχίσει να λειτουργεί. Αυτό που χρειάζεται είναι η χαμηλή εντροπία.
Η ενέργεια (μηχανική, χημική, ηλεκτρική ή δυναμική) μετασχηματίζεται σε θερμική ενέργεια, δηλαδή σε θερμότητα. Η οποία διαδίδεται αυθόρμητα από τα θερμά προς τα ψυχρά σώματα και δεν υπάρχει δωρεάν τρόπος να την ανακτήσουμε από εκεί για να την ξαναχρησιμοποιήσουμε και να καλλιεργήσουμε τα φυτά ή να τροφοδοτήσουμε τους κινητήρες μας. Σε όλη αυτή τη διαδικασία, η ενέργεια παραμένει σταθερή, αλλά η εντροπία αυξάνεται, και αυτή ακριβώς δεν μπορεί να επιστρέψει πίσω. Το προστάζει ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος.
Αυτό που κινεί τον κόσμο δεν είναι οι πηγές ενέργειας, αλλά οι πηγές χαμηλής εντροπίας. Κοντά στη Γη υπάρχει μια πλούσια πηγή χαμηλής εντροπίας, ο Ήλιος. Που οφείλεται όμως η χαμηλή εντροπία του Ήλιου; Από το ότι ο Ήλιος γεννήθηκε από μια κατάσταση ακόμα χαμηλότερης εντροπίας: το πρωταρχικό νέφος από το οποίο σχηματίστηκε το ηλιακό μας σύστημα είχε μικρότερη εντροπία. Και ούτω καθεξής όσο πάμε πίσω στο παρελθόν. Ολόκληρη η ιστορία του σύμπαντος οφείλεται στην κοσμική αύξηση της εντροπίας. Μια αύξηση που δεν συντελείται απότομα. Γίνεται σταδιακά. Χρειάζεται χρόνο. Ακόμα και αν διαθέταμε μια αδιανόητα γιγαντιαία κουτάλα, θα χρειαζόταν αρκετός χρόνος για να ανακατευτεί κάτι τόσο μεγάλο όσο το σύμπαν. Το κυριότερο είναι πως η αύξηση της εντροπίας συναντά εμπόδια και κλειστές πόρτες. Δεν είναι ούτε ταχεία ούτε σταθερή, γιατί τα πράγματα παραμένουν εγκλωβισμένα σε θύλακες χαμηλής εντροπίας έως ότου κάτι ανοίξει την πόρτα σε μια διαδικασία, η οποία τελικά θα επιτρέψει την αύξηση της εντροπίας. Η αύξηση της ίδιας της εντροπίας ανοίγει με την σειρά της νέες πόρτες, μέσα από τις οποίες η εντροπία αυξάνεται περαιτέρω.
Για παράδειγμα, ένας σωρός από ξύλα έχει μεγάλη διάρκεια ζωής αν παραμείνει αδιατάρακτος. Δε βρίσκεται σε κατάσταση μέγιστης εντροπίας, γιατί τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται, όπως ο άνθρακας και το υδρογόνο, συνδυάζονται με έναν πολύ συγκεκριμένο («εύτακτο») τρόπο για να δώσουν στο ξύλο την τελική μορφή του. Εάν διασπαστούν οι συγκεκριμένοι δεσμοί, η εντροπία αυξάνεται. Αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν καίγεται το ξύλο: τα στοιχεία του αποσυνδέονται από τις ιδιαίτερες δομές που δίνουν μορφή στο ξύλο και η εντροπία αυξάνεται απότομα (η φωτιά είναι μια έκδηλα μη αντιστρέψιμη διαδιακασία).
Παρομοίως, ένα φράγμα στα βουνά συγκρατεί το νερό έως ότου, λόγω της φθοράς του χρόνου, δημιουργηθούν πάνω του ρωγμές, μέσα από τις οποίες θα αρχίσει να περνάει όλο και περισσότερο νερό, αυξάνοντας έτσι την εντροπία. Κατά τη διάρκεια αυτής της ακανόνιστης διαδικασίας, μεγάλα ή μικρά τμήματα του σύμπαντος παραμένουν απομονωμένα σε σχετικά σταθερές καταστάσεις για περιόδους αρκετά παρατεταμένες.
Τα έμβια όντα συγκροτούνται από παρόμοιες αλληλοσυνδεόμενες διαδικασίες. Η φωτοσύνθεση εναποθέτει χαμηλή εντροπία, από τον Ήλιο στα φυτά. Τα ζώα, τρώγωντάς τα, «τρέφονται» με χαμηλή εντροπία. Αν το μόνο που χρειαζόμασταν ήταν ενέργεια και όχι ‘αρνητική’ εντροπία, θα μπορούσαμε να τραφούμε με τη θερμότητα της Σαχάρας, και όχι με το επόμενο γεύμα μας. Μέσα σε κάθε ζωντανό κύτταρο, το περίπλοκο δίκτυο των χημικών διαδικασιών συνιστά μια δομή που ανοίγει και κλείνει πύλες, μέσα από τις οποίες μπορεί να αυξηθεί η εντροπία. Τα μόρια λειτουργούν ως καταλύτες που επιτρέπουν τη σύνδεση και και συνέλιξη διαδικασιών ή αντιστρόφως, την επιβράδυνσή τους. Όλα οφείλονται στην αύξηση της εντροπίας σε κάθε μεμονωμένη διαδικασία.
Ζωή είναι ένα δίκτυο διαδικασιών για την αύξηση της εντροπίας – διαδικασίες που λειτουργούν ως καταλύτες η μία για την άλλη. Δεν αληθεύει, όπως λέγεται κάποιες φορές, ότι η ζωή γεννάει δομές ιδιαίτερες εύτακτες, ή ότι τοπικά μειώνει την εντροπία: είναι απλώς μια διαδικασία που υποβαθμίζει και καταναλώνει την χαμηλή εντροπία της τροφής. Μια αυτοδομημένη αποδιοργάνωση, ούτε μεγαλύτερη ούτε μικρότερη απ’ ότι στο υπόλοιπο σύμπαν.
Όλο το γίγνεσθαι του κόσμου είναι μια σταδιακή διαδικασία αποδιοργάνωσης, όπως εκείνη η τράπουλα που αρχικά βρίσκεται σε τάξη και σιγά σιγά, καθώς τα χαρτιά ανακατεύονται χάνει την οργάνωσή της. Κανένας γίγαντας από ψηλά δεν ανακατεύει το σύμπαν. Το ανακάτεμα γίνεται από το ίδιο το σύμπαν, κατά τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα μέρη του, οι οποίες ξεκινούν και σταματούν με το ανακάτεμα, συντελούμενες βήμα βήμα.
Η εξίσωση της εντροπίας χαραγμένη στον τάφο του Ludwig Boltzmann στη Βιέννη
Με μεγάλα εκκρεμή ερωτήματα και μικρές νύξεις νέας φυσικής, οι φυσικοί επανεξετάζουν τώρα μερικές από τις πιο θεμελιώδεις υποθέσεις τους.
Μέχρι τις αρχές του εικοστού αιώνα οι επιστήμονες πίστευαν ότι το σύμπαν ήταν γεμάτο με μια μυστηριώδη ουσία που την ονόμαζαν αιθέρα, το μέσο στο οποίο θεωρούσαν ότι ‘πατούσε’ το φως για να διαδοθεί.
Το 1887, οι φυσικοί Albert A. Michelson και Edward W. Morley αποφάσισαν να δοκιμάσουν πειραματικά την υπόθεση του αιθέρα μετρώντας την ταχύτητα του φωτός. Ανακάλυψαν πως η ταχύτητα του φωτός ήταν πάντα η ίδια, προς κάθε κατεύθυνση. Το πείραμα των Michelson και Morley απέδειξε την μη ύπαρξη του αιθέρα, την ύπαρξη δηλαδή της απόλυτης ταχύτητας του φωτός, η οποία δεν εξαρτάται από τον παρατηρητή. Μπορούμε να φανταστούμε ότι εκείνη την εποχή, ήταν προφανές σε όλους ότι θα ανίχνευαν τον αιθέρα, γιατί κανείς δεν περίμενε η ταχύτητα του φωτός να είναι μια παγκόσμια σταθερά.
Αλλά το πείραμα δεν διαπίστωσε καμία μεταβολή στην ταχύτητα του φωτός, καταλήγοντας σε ένα διάσημο μηδενικό αποτέλεσμα που αμφισβήτησε την υπόθεση του αιθέρα και επέβαλε μια αναθεώρηση των θεμελίων της φυσικής.
Και σήμερα, οι φυσικοί των σωματιδίων βρίσκονται σε παρόμοια κατάσταση όπου τα μηδενικά αποτελέσματα υπερτερούν των αναμενόμενων ανακαλύψεων. Οι σύγχρονες στιγμές του «αιθέρα» αναγκάζουν την κοινότητα της φυσικής των σωματιδίων να επανεξετάσει τις αγαπημένες της θεωρίες και να συμφιλιωθεί με ορισμένες δύσκολες αλήθειες.
Επανεξετάζοντας την SUSY
Το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι το καλύτερο πλαίσιο για την κατανόηση του σύμπαντος σε υποατομικό επίπεδο. Αναπτύχθηκε την δεκαετία του 1960, έχει δοκιμαστεί αμέτρητες φορές και εξηγεί με ακρίβεια τα θεμελιώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους.
Στις δεκαετίες του 1960 και του 1970, πολλοί φυσικοί ανέπτυξαν μια επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου που ονομάζεται ΥπερΣυμμετρία (ή SUSY εν συντομία). Η SUSY έγινε μια από τις πιο ελπιδοφόρες θεωρίες για μια ενοποιημένη θεωρία της σωματιδιακής φυσικής. Σύμφωνα με την SUSY, κάθε σωματίδιο ύλης στο Καθιερωμένο Πρότυπο – όπως το ηλεκτρόνιο και κάθε είδος κουάρκ – έχει έναν κρυφό, αντίστοιχο υπερσυμμετρικό σύντροφο-φορέα δύναμης. Παρόμοια, κάθε σωματίδιο-φορέας δύναμης έχει έναν υπερσυμμετρικό σύντροφο ύλης. Αυτή η συμμετρία προσέφερε κομψές λύσεις σε πολλά άλυτα προβλήματα στη φυσική. Για παράδειγμα, παρείχε έναν βιώσιμο υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη, εξήγησε τη σταθερότητα των πρωτονίων, τα οποία δεν φαίνεται να διασπώνται, και επέτρεψε την ενοποίηση των θεμελιωδών δυνάμεων σε υψηλές ενέργειες.
Την δεκαετία του 1990, ερευνητές από όλο τον πλανήτη συγκεντρώθηκαν για να κατασκευάσουν τoν μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων που έχει κατασκευάσει ποτέ η ανθρωπότητα, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Οι φυσικοί του LHC είχαν δύο βασικούς στόχους: να βρουν το ασύλληπτο μποζόνιο Higgs, το οποίο βοηθά στην εξήγηση του γιατί ορισμένα σωματίδια έχουν μάζα ενώ άλλα όχι. Και να βρουν την υπερσυμμετρία. Το 2010, όταν ο LHC άρχισε να συλλέγει δεδομένα, πολλοί φυσικοί ένιωθαν ότι βρίσκονταν στο χείλος της αποκάλυψης των μυστικών της φύσης.
Πολλοί ανέμεναν την ανακάλυψη της SUSY πριν από αυτήν του μποζονίου Higgs. Περίμεναν να εμφανιστεί η πληθώρα των σωματιδίων-συντρόφων της SUSY. Δύο χρόνια αφότου ο LHC ξεκίνησε τη συλλογή δεδομένων, οι φυσικοί ανακοίνωσαν ότι ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs. Αλλά παρά τις πολυάριθμες αναζητήσεις, η υπερσυμμετρία δεν βρέθηκε πουθενά. Τα αναπάντητα ερωτήματα παρέμεναν προκαλώντας την μέγιστη σύγχυση. Ακόμα και η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs έκανε τους φυσικούς να ξύνουν το κεφάλι τους.
Παρόλο που το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει νόημα από μόνο του, αν υπάρχε κάτι άλλο όπως η σκοτεινή ύλη, η κβαντική βαρύτητα ή η μάζα των νετρίνων, τότε θα έπρεπε η μάζα του Higgs να είναι μεγαλύτερη. Η μάζα του μποζονίου Higgs μετρήθηκε στα 125 GeV και βρίσκεται ακριβώς στην ενεργειακή κλίμακα όπου αναμένεται να καταρρεύσει το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Είναι το αποδεικτικό στοιχείο της νέας φυσικής. Η συγκεκριμένη τιμή της μάζας Higgs δείχνει ότι οι φυσικοί θα έπρεπε να βρουν νέα σωματίδια στην περιοχή, γύρω στα 100, 200 ή 300 GeV. Οι φυσικοί έχουν ψάξει σ’ αυτή την περιοχή, αλλά με μηδενικά αποτελέσματα.
Σκέψη πέρα από τα συνηθισμένα
Με τόσα πολλά αναπάντητα ερωτήματα στη φυσική και την κοσμολογία, οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι υπάρχουν περισσότερα να ανακαλύψουμε, αλλά όχι με τη μορφή των σωματιδίων SUSY που αρχικά φαντάζονταν. Στο σημείο που βρισκόμαστε, είναι πολύ απίθανο να έχουμε το είδος της ανακάλυψης που περιμέναμε πριν από 20 χρόνια. Οι φυσικοί του LHC παρότι έχουν κάνει απίστευτη ποσότητα δουλειάς, ξεπερνώντας κατά πολύ τα αναμενόμενα όρια. Αλλά η SUSY απλώς δεν έχει εμφανιστεί ακόμα.
Οι φυσικοί στρέφουν τώρα την προσοχή τους σε πιο σύνθετες και λιγότερο προφανείς δυνατότητες. Τα πειράματα μπορούν να αποτελέσουν πραγματικό καταλύτη για την πρόοδο, βάζοντας τους θεωρητικούς σε μια πολύ άβολη θέση όπου ο μόνος τρόπος διαφυγής είναι να σκεφτούν έξω από τα συνηθισμένα.
Μια ιδέα είναι ότι ο LHC παράγει σωματίδια SUSY, αλλά με μεγάλη διάρκεια ζωής που μπορούν να ταξιδέψουν από λίγα εκατοστά έως μερικά χιλιόμετρα πριν διασπαστούν ώστε γίνουν ορατά από τους ανιχνευτές. Αυτά τα σωματίδια μακράς διαρκείας θα άφηναν ασυνήθιστες υπογραφές, τις οποίες οι επιστήμονες θα μπορούσαν εύκολα να παρερμηνεύσουν ως αποτέλεσμα μιας δυσλειτουργίας του ανιχνευτή. Οι επιστήμονες αναπτύσσουν μια ποικιλία τρόπων για να τα αναζητήσουν.
Για να διερευνήσουν το συνεχιζόμενο μυστήριο της σκοτεινής ύλης, οι φυσικοί πραγματοποιούν πειράματα για να ανιχνεύσουν μια ποικιλία πιθανών υποψηφίων, συμπεριλαμβανομένων των υπερελαφρών αξιονίων, τα οποία θα λειτουργούσαν λιγότερο ως σωματίδια και περισσότερο ως κύματα.
Η απουσία πειραματικών στοιχείων για την SUSY, αναγκάζει τους φυσικούς να σκεφτούν διαφορετικά. Αναζητούν νέους δρόμους για τη φυσική επανεξετάζοντας θεμελιώδεις υποθέσεις και βελτιώνοντας την προσέγγισή τους στα πειράματα, θέτουν τις βάσεις για τις επόμενες μεγάλες ανακαλύψεις, ειδικά αν οι απαντήσεις είναι εντελώς απροσδόκητες.
Αυτές οι προσπάθειες περιλαμβάνουν τη συνέχιση της συλλογής δεδομένων με τον LHC, ο οποίος, μετά από αυτήν την εκτέλεση, θα μετατραπεί στον High-Luminosity LHC. Πριν από το τέλος της θητείας του, αναμένεται να δεκαπλασιάσει το σύνολο δεδομένων του LHC. Το σίγουρο είναι ότι έχουμε ακόμα πολύ δρόμο μπροστά μας.
Αν ο ανθρώπινος πολιτισμός είναι μοναδικός στο απέραντο σύμπαν, τότε πρέπει να υιοθετήσουμε μια φιλοσοφία που θα καλύψει το κενό
Οι συνεχείς επιστημονικές ανακαλύψεις από την εξερεύνηση του διαστήματος μας κάνουν να υποψιαζόμαστε ότι δεν είμαστε μόνοι στο σύμπαν. Όμως, δεν έχουμε βρει ακόμη καμία απόδειξη για εξωγήινη ζωή, κάτι που αυξάνει τις πιθανότητες να είμαστε μια μοναδική εξαίρεση στην απεραντοσύνη του σύμπαντος.
Η ιδέα ότι μπορεί να υπάρχουν εξωγήινοι πολιτισμοί έχει κατακυριεύσει την ανθρώπινη φαντασία. Δεν είναι μόνο οι λάτρεις της επιστημονικής φαντασίας που υποθέτουν την ύπαρξη εξωγήινης νοημοσύνης, αλλά και το ευρύ κοινό φαίνεται να κλίνει έντονα προς την πεποίθηση ότι δεν είμαστε μόνοι. Οι άνθρωποι σε όλα τα μήκη και πλάτη της Γης, όταν συζητούν για τις δυνατότητες ύπαρξης εξωγήινης ζωής, συνήθως καταλήγουν: «αποκλείται να είμαστε μόνοι στο σύμπαν!». Και ποιος μπορεί να τους κατηγορήσει; Με δισεκατομμύρια γαλαξίες, ο καθένας από τους οποίους βρίθει από άστρα και εξωπλανήτες, οι πιθανότητες ύπαρξης ζωής μόνο στη Γη, σ’ αυτήν την χλωμή μπλε κουκκίδα, φαίνονται απίστευτα μικρές. Πολλοί επιστήμονες και προσωπικότητες των μέσων ενημέρωσης ενισχύουν αυτή την ιδέα, μετατρέποντας τη συζήτηση από το «αν» υπάρχει ζωή στο «πότε» θα τη βρούμε και με «τι» μπορεί να μοιάζει. Σε αυτή την ατμόσφαιρα ενθουσιασμού και εικασιών, η προσδοκία να συναντήσετε κάποιο άλλο ευφυές είδος είναι σχεδόν αναπόφευκτη – εκτός αν βέβαια, πιστεύετε ότι οι εξωγήινοι είναι ήδη εδώ.
Η ιδέα ενός σύμπαντος γεμάτου ζωή έλκεται από την διαίσθησή μας, απηχώντας μερικές από τις πιο απλές αλλά βαθιές φιλοσοφικές ιδέες. Το ξυράφι του Occam μας παρακινεί προς την ιδέα ότι η «ζωή εκεί έξω» είναι η πιο εύκολη εξήγηση – είναι ορθή. Η αρχή της μετριότητας μας υπενθυμίζει ότι η μικρή γωνιά της ύπαρξής μας μάλλον δεν είναι και τόσο μοναδική. Και η Κοπερνίκεια αρχή σαρώνει την παλιά, εγωκεντρική φαντασίωση της ανθρωπότητας ως κέντρο του σύμπαντος. Το να πιστεύουμε ότι είμαστε μόνοι σε αυτό το απέραντο διάστημα, είναι όχι μόνο απίθανο αλλά παράξενα ξεπερασμένο, σαν να δεχόμαστε κάποιον παγκόσμιο χάρτη όπου η Γη βρίσκεται στο κέντρο του. Το ίδιο θαύμα αποτυπώνει ο Carl Sagan στο μυθιστόρημά του ‘Επαφή’: «Το σύμπαν είναι απίστευτα μεγάλο. Αν υπήρχαμε μόνο εμείς, θα ήταν μια τρομερή σπατάλη χώρου»:
Αλλά αυτή η πίστη στην ύπαρξη εξωγήινων πολιτισμών δεν αφορά μόνο τη διαίσθηση – βασίζεται στην επιστήμη που πυροδοτεί τόσο την περιέργεια όσο και το δέος. Με την ανακάλυψη των εξωπλανητών, μάθαμε ότι ο γαλαξίας μας ξεχειλίζει από ποικιλομορφία: Δισεκατομμύρια πλανήτες περιφέρονται γύρω από άστρα στη λεγόμενη κατοικήσιμη ζώνη, όπου οι συνθήκες μπορεί να υποστηρίζουν υγρό νερό. Κάποτε, οι ωκεανοί της Γης έμοιαζαν μοναδικοί. Τώρα, κρυμμένες θάλασσες σε δορυφόρους όπως η Ευρώπη και ο Εγκέλαδος δείχνουν ότι οι υδάτινοι κόσμοι μπορεί τελικά να μην είναι τόσο σπάνιοι. Στη Γη, η ζωή έχει αποδειχθεί εξαιρετικά ανθεκτική, καθώς ευδοκιμεί σε ηφαιστειακούς κρατήρες που βράζουν, όξινες λίμνες, ακόμη και σε ραδιενεργές περιοχές – ακραίες συνθήκες που διεγείρουν την φαντασία για το πού θα μπορούσε να υπάρχει ζωή. Οι εξωγήινοι οργανισμοί μπορεί να εξελιχθούν με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, πιθανόν διαμορφωμένους από βιοχημείες που δεν μπορούμε ακόμη να συλλάβουμε.
Κι ενώ η σιωπή του σύμπαντος μπορεί να φαίνεται εκκωφαντική, αξίζει να θυμόμαστε ότι η αναζήτησή μας μόλις ξεκίνησε. Με κοσμικούς όρους, μόλις μάθαμε να ακούμε και να βλέπουμε. Με τις επερχόμενες τεχνολογίες θα ανοίξουν εντελώς νέα παράθυρα στο σύμπαν. Στατιστικά, οι πιθανότητες φαίνονται αναμφισβήτητες: Με τρισεκατομμύρια άστρα και αμέτρητους πλανήτες, πώς είναι δυνατόν η ζωή να μην εμφανιστεί αλλού; Ακόμη και η ανακάλυψη ενός ταπεινού μικροβίου σε έναν μακρινό κόσμο θα ήταν επαναστατική, υπενθυμίζοντάς μας ότι η ιστορία της Γης δεν είναι παρά μία παράγραφος των ατελείωτων δυνατοτήτων του σύμπαντος.
Ωστόσο, η δικαιολογημένη επιστημονική αισιοδοξία δεν πρέπει να μας αποσπά από την απογοητευτική αλήθεια: ότι αυτός ο ενθουσιασμός εξακολουθεί να είναι ένα άλμα πίστης. Το ερώτημα αν είμαστε μόνοι παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της επιστήμης. Τα δεδομένα δίνουν μια δελεαστική εικόνα – εξίσου συμβατή με ένα σύμπαν γεμάτο ζωή όσο και με ένα σύμπαν όπου στεκόμαστε μοναχικοί κάτω από τα άστρα. Το να επιμένει κανείς ότι πρέπει να υπάρχει ζωή εκεί έξω, είναι σαν να δέχχεται το συναίσθημα της αισιοδοξίας ως αποδεικτικό στοιχείο. Η πιο ειλικρινής απάντηση σε αυτό το κοσμικό μυστήριο είναι ένα απλό, γεμάτο δέος: «Δεν ξέρουμε».
Μπορεί να είμαστε ο μοναδικός πολιτισμός στο σύμπαν;
Η απάντηση έρχεται με το απίθανο ξεκίνημα της ζωής. Η αβιογένεση – η διαδικασία με την οποία η ζωή προκύπτει από την άβια ύλη – μπορεί να είναι τόσο σπάνια ώστε η Γη να αντιπροσωπεύει έναν μοναδικό θρίαμβο σε ένα κατά τα άλλα άγονο σύμπαν. Ακόμη και κάτω από ιδανικές συνθήκες, δεν γίνεται η ζωή απλώς να αναδυθεί. Κανένα πείραμα δεν κατάφερε να το επαναλάβει. Οι μοναδικές συνθήκες της Γης – μια σταθεροποιητική Σελήνη, οι τεκτονικές πλάκες και ακριβώς το σωστό χημικό μείγμα – μπορεί να είναι α-πίθανες, μία στο τρισεκατομμύριο. Η εξέλιξη προσθέτει ένα ακόμη φίλτρο: Ενώ η μικροβιακή ζωή μπορεί να είναι κοινή, το άλμα προς τα νοήμονα όντα μπορεί να απαιτεί μια διασκεδαστική σειρά ατυχημάτων και καταστροφών. Αν η εξέλιξή μας είναι μια κοσμική λοταρία, το σύμπαν μπορεί να είναι γεμάτο από αζήτητους λαχνούς. Παρ’ όλα τα δισεκατομμύρια άστρα και πλανήτες του, το σύμπαν μπορεί να παραμείνει εκκωφαντικά άδειο από ζωή.
Και ακόμα κι αν υπάρχουν άλλοι πολιτισμοί, μπορεί να μας χωρίζει για πάντα η απεραντοσύνη του χώρου και του χρόνου. Οι προσπάθειές μας να ‘ακούσουμε’ εξωγήινα σήματα από τα άστρα συνάντησαν μόνο ανατριχιαστική σιωπή. Οι πολιτισμοί μπορεί να προκύψουν και να εξαφανιστούν σαν σπινθήρες, που τρεμοπαίζουν πολύ πριν τα σήματα τους διασχίσουν το γαλαξιακό κενό. Οι αποστάσεις είναι τερατώδεις – το ίδιο το φως χρειάζεται χιλιετίες για να διασχίσει τα πλησιέστερα άστρα – και η τεχνολογία μας για διαστρικά ταξίδια είναι πιο πολύ φαντασία παρά πραγματικότητα. Για να κάνουμε τα πράγματα χειρότερα, η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος παρασύρει τους γαλαξίες πιο μακριά, εγκλωβίζοντάς μας σε ένα είδος κοσμικής απομόνωσης. Μπορεί να είμαστε ουσιαστικά μόνοι – παρασυρμένοι σε μια υπέροχη αλλά αδιάφορη θάλασσα άστρων, κυματίζοντας ένα σήμα που κανείς δεν θα δει ποτέ.
Προς το παρόν, αυτή είναι η πραγματικότητα που βιώνουμε. Το αν υπήρξαμε ο μοναδικός πολιτισμός στο σύμπαν μας, μάλλον δεν θα μπορέσουμε ποτέ να το επιβεβαιώσουμε. Αν κάποτε ανακαλύψουμε εξωγήινη ζωή τότε θα ξέρουμε πως δεν είμαστε μόνοι στην λαμπερή φούσκα του παρατηρήσιμου σύμπαντος. Τι θα γινόταν όμως αν, μετά από αιώνες, τα τηλεσκόπια μας δεν βρουν εξωγήινες βιόσφαιρες, ούτε τεχνολογίες, αλλά διαπιστώσουν μια ανατριχιαστική κοσμική σιωπή; Όπως είπε ο Arthur C. Clarke, είτε είμαστε μόνοι είτε δεν είμαστε, και τα δύο είναι τρομακτικά.
Άστεγοι στο άπειρο
Με την πρώτη ματιά, η ιδέα της κοσμικής μοναξιάς φαίνεται μακρινή, θαμμένη κάτω από το θόρυβο της υπερπληθυσμιακής και χαοτικής ζωής μας. Ποιος έχει χρόνο να ασχοληθεί με την καθολική μοναξιά ενώ παλεύει με τα επίγεια καθημερινά προβλήματα; Όμως, αυτή η σιωπή φαίνεται στο υπόβαθρο της συλλογικής μας ψυχής, ένα σκοτεινό «τι θα γινόταν αν» που δεν μας αφήνει να ησυχάσουμε. Αν η αντανακλαστική αυτοσυνείδηση είναι μοναδική – ή τραγικά σπάνια – σε έναν άδειο κόσμο, οι επιπτώσεις είναι συγκλονιστικές, διαμορφώνοντας την ταυτότητά μας με ένα μείγμα δέους, άγχους και αποξένωσης.
Από τη μια πλευρά, αυτή η μοναξιά μοιάζει με την απόλυτη κοσμική φιλοφρόνηση. Φανταστείτε: Η Γη ως φορέας της μοναδικότητας της ύπαρξης, το μαγικό μέρος όπου το Σύμπαν αντιλαμβάνεται τον εαυτό του. Αν είμαστε μόνοι, η ύπαρξή μας υπερβαίνει τις πιθανότητες. Είναι ένα θαύμα που αψηφά τη φαντασία. Όπως το θέτει ο αστροφυσικός Howard A. Smith, γινόμαστε σπάνιοι, πολύτιμοι και κοσμικά σημαντικοί. Είμαστε μοναδικότητες – αδύνατες πιθανότητες που έγιναν πραγματικότητα.
Αλλά αυτή η εξαιρετική μοναδικότητα συνοδεύεται από μια στοιχειωμένη μοναξιά. Σε ένα σύμπαν τόσο απέραντο και σκοτεινό, θα ήμασταν η μόνη φωνή σε ένα αιώνιο κενό, τραγουδώντας σε κανένα κοινό, σκεπτόμενοι αν η πραγματικότητά μας είναι καν πραγματική. Αυτό δεν είναι απλώς ανησυχητικό – είναι βαθύτατα αποπροσανατολιστικό, αναγκάζοντάς μας να παλέψουμε με το παράδοξο να είμαστε κοσμικοί μονόκεροι και μοναχικοί περιπλανώμενοι.
Μερικοί φιλόσοφοι εντοπίζουν την κοσμική μοναξιά της ανθρωπότητας πίσω στη στιγμή που εκθρονιστήκαμε ανεπιτήδευτα από την επανάσταση του Κοπέρνικου. Το παρομοιάζουν με μια κοσμική προειδοποίηση έξωσης: Μια μέρα, η Γη ήταν η ζεστή, κεντρική εστία του Σύμπαντος και την επόμενη, χαθήκαμε σε μια απέραντη ερημιά. Μια υπαρξιακή μετατόπιση σαν «να είσαι άστεγος στο άπειρο». Απογυμνωμένοι από μια ιστορία όπου ο κόσμος περιστρεφόταν γύρω μας, βρεθήκαμε χαμένοι, απομονωμένοι και σμικρυμένοι από απεριόριστους ορίζοντες.
Σαν να στρίβει το μαχαίρι στην πληγή, κάθε επιστημονική ανακάλυψη απλώς βάθυνε την αίσθηση της αποξένωσής μας. Η ανακάλυψη της τεράστιας κλίμακας του σύμπαντος – τα δισεκατομμύρια των γαλαξιών και οι αδιανόητες αποστάσεις του – δεν έφερε απαντήσεις. Τόνιζε την απίθανη φύση της αντανακλαστικής μας επίγνωσης σε αυτόν τον μικρό, βραχώδη πλανήτη. Οι διάσημοι προβληματισμοί του Carl Sagan στηχλωμή μπλε κουκκίδα : H Γη, «μια μοναχική κουκκίδα στο αχανές κοσμικό σκοτάδι που μας περιβάλλει», τρεμοφέγγει σε μια θάλασσα σιωπηλών, αδιάφορων αστεριών.
Είναι ένα γλυκόπικρο παράδοξο: Είμαστε αστερόσκονη, φτιαγμένη από τα ίδια στοιχεία με τους γαλαξίες, αλλά νιώθουμε εξόριστοι από αυτούς. Η επανάσταση του Κοπέρνικου άφησε μια ουλή στην ανθρώπινη ψυχή, αποσπώντας μας από την ανθρωποκεντρική ζεστασιά του παλιού. Εξόρισε την ανθρωπότητα σε μια υπαρξιακή μοναξιά με την οποία ήρθαν αντιμέτωποι οι Νίτσε, Σαρτρ και Καμύ πολύ πριν αρχίσουμε τις ραδιοασρονομικές προσπάθειες ανίχνευσης εξωγήινων σημάτων από το διάστημα. Ενώ οι περισσότεροι από εμάς είναι εξοικειωμένοι με την καθημερινή μοναξιά – την κακή επικοινωνία, τις ρηχές σχέσεις ή τον πόνο της απομόνωσης – οι υπαρξιστές έσκαψαν βαθύτερα, ανακαλύπτοντας μια βαθιά κοσμική μοναξιά, μια αποσύνδεση φαινομενικά ραμμένη στον ίδιο τον ιστό της ύπαρξης.
Ο Νίτσε, προαναγγέλλοντας το θάνατο του Θεού, οραματίστηκε ένα σύμπαν απογυμνωμένο από θεϊκό σκοπό – μια τεράστια, αδέσμευτη έκταση όπου η ανθρωπότητα παρασύρεται χωρίς άγκυρα. Για αυτόν, το κενό δεν ήταν απλώς κενό. ήταν μια ψυχρή, αδυσώπητη υπενθύμιση ότι ο κόσμος είχε πάψει να είναι το σπίτι μας. Μόνο οι πιο γενναίοι, πίστευε, μπορούσαν να αντιμετωπίσουν αυτή την παγερή αδιαφορία και να σφυρηλατήσουν νόημα από την άβυσσο. Ο Καμύ, γράφοντας μέσα στη «Μεγάλη Σιωπή» του Φέρμι, παρομοίασε αυτή τη μοναξιά με μια κοσμική κραυγή που χάνεται σε μια ανατριχιαστική σιωπή. Στον Μύθο του Σισύφου, περιέγραψε την ανθρωπότητα ως ξένη σε ένα βουβό σύμπαν, παγιδευμένη στο οδυνηρό χάσμα μεταξύ της αγωνίας μας για νόημα και της σιωπηλής άρνησης του κόσμου. Ο Σαρτρ, εν τω μεταξύ, έβλεπε ένα ωμό σύμπαν χωρίς κανένα νόημα. Υποστήριξε ότι η ανθρωπότητα είναι ταυτόχρονα ελεύθερη και φυλακισμένη – απομονωμένα όντα που γεμίζουν την ύπαρξη με ρόλους και περισπασμούς, αλλά παραμένουν χαμένα. Μεταξύ άλλων, ο Σαρτρ προειδοποίησε, ότι είμαστε ναυαγισμένες υπάρξεις, εγκαταλελειμμένες για πάντα.
Αλλά ακόμη και ο Σαρτρ, με την αυστηρή άποψή του («η κόλαση είναι οι άλλοι») για τις ανθρώπινες σχέσεις, παραδέχτηκε ότι χωρίς άλλους, θα καταρρεύσουμε στο απόλυτο τίποτα. Η μοναξιά δεν είναι απλώς η απουσία ανθρώπων, είναι η οδυνηρή έλλειψη νοήματος που αισθάνεται έντονα η ανθρωπότητα, ως μοναχικός κάτοικος μιας φαινομενικά άδειας κοσμικής γειτονιάς. Μαθαίνουμε ποιοι είμαστε μέσα από τους άλλους. κρατούν τον καθρέφτη της ύπαρξής μας. Φαντάσου, για μια στιγμή, να είσαι ο μοναδικός άνθρωπος στη Γη. Χωρίς συγκρίσεις, χωρίς διάλογο – μόνο η φωνή σου, που αντηχεί αδιάκοπα στη σιωπή. Πώς θα επιβίωνε η αίσθηση του εαυτού σου;
Η λαχτάρα για τον «άλλο»
Σίγουρα, η Γη βρίθει από υπέροχη ζωή, αλλά τα ζώα και τα φυτά δεν ανταποκρίνονται στο αντανακλαστικό μας βλέμμα. Η ανακάλυψη βακτηρίων στον Άρη μπορεί να ενθουσιάσει τους επιστήμονες, αλλά δεν θα μειώσει αυτή τη βαθύτερη λαχτάρα. Η αληθινή παρηγοριά βρίσκεται στο να βρεις μια άλλη συνείδηση - κάποιον να μοιραστείς, να αμφισβητήσεις και να αποκαλύψεις τα μυστήρια της ύπαρξης. Στα πιο τρελά μας όνειρα, ένας άλλος πολιτισμός μπορεί να έχει απαντήσεις που δεν περνάνε καν από το μυαλό μας καν καταλάβουμε. Θα μπορούσαν να έχουν αποκαλύψει κάτι που έχουμε χάσει σχετικά με το νόημα του σύμπαντος; Ή μήπως και της ύπαρξής μας;
Για μεγάλο μέρος της ανθρώπινης ιστορίας, δεν βλέπαμε τους εαυτούς μας μόνους. Γεμίσαμε τον κόσμο με θεούς, τέρατα και μυθικά όντα – συντρόφους για να διώξουμε το τρομακτικό κενό. Ακόμη και σήμερα, για πολλούς, το κενό μετριάζεται από τη θεολογία, γεμάτη με αγγέλους, δαίμονες ή πνεύματα. Όταν οι άνθρωποι υπομένουν παρατεταμένη απομόνωση, συχνά επινοούν πρόσωπα και φιγούρες για να αντέξουν τη μοναξιά. Ίσως η σύγχρονη επιστημονική φαντασία μας, με τους φανταστικούς εξωγήινους και τις μηχανές που διαθέτουν αισθήματα, να εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό – έναν τρόπο να γεμίσει τη σιωπή με κάτι που μοιάζει με ανταπόκριση.
Τα πειράματα σκέψης της επιστημονικής φαντασίας εμβαθύνουν σ’ αυτήν την ανάγκη για «άλλους». Ο Per Schelde υποστηρίζει ότι οι εξωγήινοι και η Τεχνητή Νοημοσύνη είναι σύγχρονοι απόηχοι αρχαίων ξωτικών και δράκων. Αυτά τα όντα ευδοκίμησαν σε μια εποχή που τα αδάμαστα δάση και τα μυστηριώδη τοπία ενέπνεαν το θαύμα. Σήμερα με την φύση «εξημερωμένη», το διάστημα έχει γίνει η νέα άγρια φύση – οι αχαρτογράφητοι γαλαξίες ξεχειλίζουν με φανταστικά τέρατα και απόκοσμες οντότητες.
Φιλοσοφικά, οι ορισμοί βασίζονται στην αντίθεση – στην παρουσία ενός «άλλου» για να μας αντανακλά και να μας καθορίζει. Στην τρέχουσα κατάστασή μας, χωρίς μια αντανακλαστική συνείδηση, η επιστημονική φαντασία μπορεί να χρησιμεύσει ως μέσο υπέρβασης της ανθρωποκεντρικής μας άποψης. Οι εξωγήινοι και η Τεχνητή Νοημοσύνη προκαλούν τα όρια της ανθρώπινης ύπαρξης, αναγκάζοντάς μας να αναθεωρήσουμε τι σημαίνει να είσαι άνθρωπος. Όπως προτείνει ο Mark Rowlands, η έντονη ετερότητά τους γίνεται καθρέφτης: Όταν κοιτάμε τους εξωγήινους ή τις μηχανές, στην ουσία κοιτάμε τον εαυτό μας. Ταινίες όπως το Blade Runner και το AI Τεχνητή Νοημοσύνη του Σπίλμπεργκ δεν εξερευνούν απλώς τις ρέπλικες και τα ρομπότ – διερευνούν την ουσία της ανθρωπότητας.
Αυτή η λαχτάρα για έναν «άλλο» μπορεί επίσης να εξηγήσει την εμμονή μας με την τεχνητή νοημοσύνη. Θα μπορούσε η επιδίωξή μας για γενική τεχνητή νοημοσύνη – ικανή να αντικατοπτρίζει την ανθρώπινη σκέψη – να είναι μια υποσυνείδητη απάντηση στην τρομακτική πιθανότητα να είμαστε εντελώς μόνοι; Ίσως αυτές οι δημιουργίες δεν είναι απλώς τεχνολογικά θαύματα αλλά μια συλλογική προσπάθεια να μοιραστούμε το βάρος της κοσμικής μας μοναξιάς, να βρούμε παρέα στο απέραντο και άδειο σύμπαν – ακόμα κι αν πρέπει να την δημιουργήσουμε μόνοι μας.
Αυτό που κάνει το κενό υποφερτό
Ας υποθέσουμε ότι, η ανθρωπότητα, μετά από 500 χρόνια αναζήτησης, καταλήγει στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν είναι οριστικά απαλλαγμένο από γείτονες. Χωρίς συναρπαστικές συναντήσεις με εξωγήινους, χωρίς μεγάλες γαλαξιακές συνομιλίες. Μόνο εμείς, ίσως και μερικά μικρόβια στον Άρη. Τι γίνεται τότε; Και τι γίνεται τώρα, αν έχουμε πειστεί για την κοσμική μας μοναξιά; Για καθοδήγηση, επιστρέφουμε στους υπαρξιστές φιλοσόφους.
Η μοναξιά, μας θυμίζουν ότι δεν είναι μόνο φορτίο. Περιέχει μια περίεργη, στοιχειωμένη ομορφιά. Αν μάθουμε να κάνουμε ειρήνη με αυτήν την καθολική σιωπή, όσο απόκοσμη κι αν τη νιώθουμε αρχικά, μπορεί να μας αποκαλύψει ένα βαθύτερο νήμα. Ο Καμύ το περιγράφει στον Μύθο του Σίσυφου: «Τούτη την κρίσιμη στιγμή που ο άνθρωπος κάνει τον απολογισμό της ζωής του, ο Σίσυφος, επιστρέφοντας προς το βράχο του, παρατηρεί αυτή την ασύνδετη σειρά των πράξεων που φτιάχνει το πεπρωμένο του, δημιουργημένο από τον ίδιο, συσπειρωμένο κάτω από το βλέμμα της μνήμης του και σφραγισμένο σε λίγο με το θάνατό του. Έτσι, πεπεισμένος για την απόλυτα ανθρώπινη έλευση κάθε ανθρώπινου πράγματος, σαν τυφλός που λαχταρά το φως του και που γνωρίζει πως η νύχτα είναι ατέλειωτη, πορεύεται συνέχεια. Ο βράχος κυλάει πάντα.
Αφήνω τον Σίσυφο στους πρόποδες του βουνού! Πάντα ξαναβρίσκει κανείς το φορτίο του. Αλλά ο Σίσυφος διδάσκει την ύψιστη πίστη που αρνείται τους θεούς και σηκώνει τους βράχους. Κι εκείνος επίσης κρίνει ότι όλα είναι καλά. 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. Ο αγώνας και μόνο προς την κορυφή αρκεί για να γεμίσει μιαν ανθρώπινη καρδιά. Πρέπει να φανταστούμε τον Σίσυφο ευτυχισμένο.»
Σύμφωνα με τον Καμύ, όταν αποδεχόμαστε την πιθανότητα ενός βωβού και άδειου σύμπαντος, σταματάμε να κοιτάμε μακριά και αρχίζουμε να κοιτάμε γύρω μας. Όπως το θέτει όμορφα ο εξωγήινος στην Επαφή: «Σε όλη μας την αναζήτηση, το μόνο πράγμα που βρήκαμε να κάνει το κενό υποφερτό, είναι ο ένας τον άλλο».
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 21cm 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.
Στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ή θεμελιώδη κατάσταση του ατόμου του υδρογόνου (F=0), τα σπιν ηλεκτρονίου και πρωτονίου είναι αντιπαράλληλα. Αν τα σπιν των δύο σωματιδίων είναι παράλληλα (F=1), τότε το άτομο του υδρογόνου βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση που διαφέρει ενεργειακά από την θεμελιώδη κατά 6 .10-6 eV – ένα πολύ μικρό ποσό ενέργειας. Είναι γνωστό από την κβαντομηχανική ότι η πιθανότητα μιας διέγερσης από μια κατάσταση σε μια άλλη είναι ανάλογη του κύβου της ενεργειακής διαφοράς των δύο καταστάσεων, και ο χρόνος ζωής της διεγερμένης κατάστασης αντιστρόφως ανάλογος της ίδιας ποσότητας. Έτσι ο χρόνος ζωής της κατάστασης F=1 είναι περίπου 11 εκατομμύρια έτη. Το άτομο επιστρέφει στην θεμελιώδη κατάσταση με τα σπιν ηλεκτρονίου και πρωτονίου να γίνονται ξανά αντιπαράλληλα, εκπέμποντας φωτόνιο μήκους κύματος 21 εκατοστών (για την ακρίβεια 21,106114053 cm).Παρά τον τεράστιο χρόνο ζωής της διεγερμένης κατάστασης, η υπεραφθονία του υδρογόνου στον μεσοαστρικό χώρο και σε ολόκληρο το σύμπαν, εξασφαλίζει την ύπαρξη της γραμμής στα 21 εκατοστά προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και να κοιτάξουμε.Γι αυτό μπορούμε να λέμε πως είναι το πιο συνηθισμένο μήκος στο σύμπαν.
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 ΗI) 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.
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.
H χρυσή πλάκα που μεταφέρουν τα διαστημικά σκάφη Pioneer 10 και 11. Στο πάνω μέρος φαίνεται η διαδικασία εκπομπής των 21 cmπου καθορίζει μια κοινή μονάδα μέτρησης μήκους, ενώ η αντίστοιχη συχνότητα των 1420 MHzκαθορίζει μια κοινή μονάδα χρόνου[Στην πλάκα περιγράφονται οι περίοδοι και οι σχετικές θέσεις ως προς τον Ήλιο από 14 πάλσαρ, μια σχηματική αναπαράσταση του ηλιακού μας σστήματος και ένας άνδρας με μια γυναίκα. Μάλιστα, υποδεικνύεται το ύψος της γυναίκας με την δυαδική αναπαράσταση του αριθμού 8 (1000), που σε μονάδες του μήκους κύματος της υπέρλεπτης μετάπτωσης του υδρογόνου σημαίνει 8×21 cm=1,68 m]. ΠΗΓΗ
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).
