Από το απειροστά μικρό στο απείρως μεγάλο

του Γιάννη Ηλιόπουλου, Ομότιμος διευθυντής ερευνών, ENS, Γαλλία
Τα πρώτα στάδια της δημιουργίας

Η Κοσμολογία είναι μια σχετικά νέα επιστήμη. Για πολλά χρόνια οι αστρονόμοι πίστευαν πως το Σύμπαν, σε μεγάλες κλίμακες, ήταν στατικό. Καμιά εξέλιξη δεν ήταν αισθητή. Η πεποίθηση αυτή βασιζόταν στο γεγονός ότι τα οπτικά μέσα που διαθέταμε μας περιόριζαν στην εξερεύνηση μόνο της άμεσης γειτονιάς του γαλαξία μας. Οπως οι πρώτοι άνθρωποι, που δεν μπορούσαν να δουν πολύ πιο πέρα από τον ορίζοντά τους, πίστευαν πως η επιφάνεια της Γης είναι επίπεδη, έτσι κι εμείς πιστεύαμε πως το Σύμπαν δεν έχει ιστορία.

Ο πρώτος που κλόνισε αυτόν τον κόσμο της ακινησίας και της σιγουριάς ήταν ο Εdwin Ρowell Ηubble που μπόρεσε για πρώτη φορά να παρατηρήσει σχετικά μακρινούς γαλαξίες έξω από τον δικό μας. Η εικόνα που πήρε ήταν τελείως διαφορετική. Τα ουράνια σώματα βρίσκονται σε αέναη κίνηση που τα απομακρύνει το ένα από το άλλο, και όσο πιο μακρινά είναι τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να φεύγουν. Ετσι γεννήθηκε η ιδέα της διαστολής του Σύμπαντος (1929) και ετέθησαν τα θεμέλια μιας καινούργιας επιστήμης, της Κοσμολογίας. Αφού το Σύμπαν εξελίσσεται, έχει νόημα να ψάξουμε να ανακαλύψουμε την ιστορία του, τόσο στο απώτερο παρελθόν όσο και στο πιο μακρινό μέλλον.
Δεν θα παρουσιάσω εδώ την ιστορία της Κοσμολογίας, αλλά δεν θα εκπλαγεί ο αναγνώστης διαπιστώνοντας πως η επιστήμη αυτή ανδρώθηκε με την εξέλιξη των μέσων παρατήρησης, τόσο από το έδαφος (τελειοποιημένα οπτικά τηλεσκόπια, ραδιο-τηλεσκόπια, δίκτυα μελέτης κοσμικής ακτινοβολίας κ.λπ.) όσο, ακόμη περισσότερο, από το Διάστημα με μια μεγάλη πανοπλία σταθμών παρατήρησης με τεχνητούς δορυφόρους. Ενα στοιχείο που πρέπει να υπογραμμίσουμε είναι ότι στο Σύμπαν «μακριά» σημαίνει «παλιά». Οταν παρατηρούμε έναν πολύ μακρινό γαλαξία δεν βλέπουμε τη σημερινή του κατάσταση, αλλά εκείνη στην οποία βρισκόταν τη στιγμή που το φως ξεκίνησε το ταξίδι του να φτάσει σε εμάς. Ετσι, κοιτώντας όλο και μακρύτερα, ανακαλύπτουμε όλο και παλιότερη εικόνα του Σύμπαντος. Βλέπουμε να ξετυλίγεται μπροστά στα μάτια μας η δημιουργία και η εξέλιξη των ουρανίων σωμάτων, η Ιστορία του Κόσμου.
Με την ανακάλυψη του Ηubble η Κοσμολογία άφησε τον χώρο της Φιλοσοφίας και έγινε ένας κλάδος των Φυσικών Επιστημών. Αλλά με μία ιδιαιτερότητα: Η επιστημονική μεθοδολογία περνάει από τρία στάδια: την παρατήρηση, τη θεωρητική επεξεργασία και το πείραμα. Το πείραμα είναι η επανάληψη της παρατήρησης υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Ο πειραματικός
έλεγχος είναι απαραίτητος για να περάσουμε από το στάδιο της θεωρητικής υπόθεσης σε αυτό της Φυσικής Θεωρίας. Στην Κοσμολογία το στάδιο αυτό λείπει, το Πείραμα έγινε μία και μοναδική φορά, εμείς περιοριζόμαστε στην παρατήρηση των αποτελεσμάτων. Η εικόνα που έχουμε για την ιστορία του Σύμπαντος, καίτοι στηρίζεται σε πλούσιες και λεπτομερείς παρατηρήσεις, παραμένει μια θεωρητική υπόθεση.
Η εικόνα 1 δείχνει σε απλοποιημένη σχηματική παράσταση τις ιδέες μας για τη δημιουργία και την εξέλιξη του Σύμπαντος. Πρόκειται για τη θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης (Βig Βang) που σήμανε τη Δημιουργία του Κόσμου, την αρχή του Χώρου και του Χρόνου. Στην αρχή ήταν ένα Σημείο· ήταν το μόνο σημείο που υπήρχε· και δεν υπήρχε τίποτε άλλο εκτός από αυτό το Σημείο. Προσοχή! Δεν πρέπει να φανταστούμε το σημείο αυτό μέσα σε έναν χώρο. Το σημείο ήταν όλος ο Χώρος.
Και τότε έγινε η Μεγάλη Εκρηξη. Το σημείο εξερράγη ελευθερώνοντας μια άπειρη πυκνότητα ενέργειας, από την οποία προήλθε όλο το Σύμπαν. Για να είμαστε ειλικρινείς, δεν είμαστε σίγουροι αν μια τέτοια έκρηξη έγινε στα αλήθεια. Στην αρχή είχαμε μια τεράστια πυκνότητα ενέργειας σε συνδυασμό με τόσο υψηλή θερμοκρασία που οι σημερινές θεωρίες μας αδυνατούν να περιγράψουν. Η έκρηξη είναι η πιο απλή αναπαράσταση μιας πραγματικότητας που μπορεί να είναι πιο πολύπλοκη.
Οπως βλέπουμε, η εικόνα σταματάει σε χρόνο 10-43 του δευτερολέπτου. Οι θεωρητικές μας γνώσεις δεν μας επιτρέπουν να πούμε τι ακριβώς συνέβη πιο πριν. Για μας η έκρηξη σήμανε την αρχή του χρόνου. Αυτό όμως για το οποίο είμαστε σίγουροι είναι πως, μετά τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου, η εξέλιξη ακολουθεί τους νόμους της Φύσης, αυτούς που μελετάμε στο εργαστήριο. Εδώ βλέπουμε τον συσχετισμό του απείρως μεγάλου με το απειροστά μικρό. Οι συγκρούσεις ανάμεσα στα στοιχειώδη σωμάτια που προκαλούμε στους επιταχυντές μας αναπαράγουν σε μικρογραφία τις συνθήκες που επικρατούσαν στη γένεση του Σύμπαντος. Με τον καινούργιο επιταχυντή LΗC (Large Ηadron Collider) που τίθεται σε λειτουργία εντός των ημερών στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Ερευνών CΕRΝ στη Γενεύη, θα πλησιάσουμε ακόμη πιο κοντά στην αρχή που δείχνει η εικόνα. Πιστεύουμε πως από εκεί και πέρα η εξέλιξη είναι, σε γενικές γραμμές, σωστή γιατί στηρίζεται στα αποτελέσματα των πειραμάτων.
Στην πρώτη φάση κυριαρχεί η τεράστια πυκνότητα ενέργειας και πολύ υψηλή θερμοκρασία. Είναι η εποχή που δημιουργούνται τα πρώτα στοιχειώδη σωμάτια. Το Σύμπαν αποτελείται από μια πολύ καυτή «σούπα» από ηλεκτρόνια, κουάρκς, φωτόνια, νετρίνα και άλλα στοιχειώδη σωμάτια. Εχουμε σοβαρούς λόγους να πιστεύουμε πως ανάμεσά τους βρίσκονται σωμάτια που μας είναι ακόμη άγνωστα. Ενας
από τους σκοπούς του LΗC είναι η ανακάλυψη τέτοιων σωματίων. Στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου όλα αυτά τα σωμάτια είχαν μηδενική μάζα. Με την πάροδο του χρόνου το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται. Σε κάποια στιγμή, σε χρόνο 10-11 του δευτερολέπτου, έχουμε μια μεταβολή φάσεως: ένα μέρος από την τεράστια ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα σύμφωνα με τον νόμο της σχετικότητας Ε=mc, όπου Ε παριστάνει την ενέργεια, m το ισοδύναμο σε μάζα και c την ταχύτητα του φωτός. Πολλά από τα σωμάτια αποκτούν μη μηδενική μάζα, όπως τα ξέρουμε σήμερα. Εχουμε ένα θεωρητικό μοντέλο για τον μηχανισμό αυτής της μεταβολής φάσεως που προβλέπει την ύπαρξη ενός καινούργιου σωματιδίου που το ονομάζουμε σωμάτιο του Ηiggs. Η ανακάλυψη και η μελέτη αυτού του σωματιδίου στο LΗC θα μας αποκαλύψει τις ιδιότητες αυτού του μηχανισμού που έπαιξε τόσο σημαντικό ρόλο στην ιστορία του Κόσμου.
Παρακολουθώντας την εικόνα, βλέπουμε πως η διαστολή και, κατά συνέπεια, η ψύξη του Σύμπαντος συνεχίζονται. Τα κουάρκς ενώνονται και σχηματίζουν πρωτόνια. Σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες σχηματίζονται οι πρώτοι πυρήνες από ελαφρά στοιχεία. Είναι η εποχή της «πυρηνικής σύνθεσης». Πολύ αργότερα, περίπου 100.000 χρόνια μετά την έκρηξη, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια φτιάχνουν τα πρώτα άτομα. Η ύλη γίνεται ηλεκτρικά ουδέτερη και τα φωτόνια, που αντιδρούν μό
νο με τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια, αρχίζουν να κυκλοφορούν ελεύθερα. Ο χώρος είναι γεμάτος από μια άμορφη μάζα υδρογόνου, ηλίου και άλλων ελαφρών στοιχείων σε αέρια κατάσταση. Σιγά σιγά, υπό την επίδραση της βαρύτητας, τα αέρια αρχίζουν να συμπυκνώνονται. Είναι μια διαδικασία πολύ αργή. Θα περάσουν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να σχηματιστούν τα πρώτα ουράνια σώματα, οι πρώτοι γαλαξίες. Το Σύμπαν αρχίζει να παίρνει τη σημερινή του μορφή.
Αυτή είναι μια πολύ συνοπτική παρουσίαση της ιστορίας του Σύμπαντος. Στην πραγματικότητα είχαμε πολλούς άλλους σταθμούς στην εξέλιξή του, που δεν παρουσίασα. Η εικόνα δείχνει μερικούς από αυτούς. Αν ρωτήσουμε σήμερα ποια είναι τα συστατικά του Σύμπαντος, θα πάρουμε μια απροσδόκητη απάντηση. Ολη η ορατή ύλη, τα αστέρια, οι γαλαξίες, οι μάζες των αερίων στον διαστημικό χώρο, όλα μαζί αποτελούν λιγότερο από 5% της ολικής ενεργειακής πυκνότητας. Ενα πολύ μεγαλύτερο μέρος, περίπου 20%, φαίνεται να αποτελείται από ύλη αγνώστου υφής που δεν αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και, κατά συνέπεια, δεν ακτινοβολεί. Γι΄ αυτό την ονομάζουμε σκοτεινή ύλη. Φαίνεται να αποτελείται από σωμάτια που δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει. Πιστεύουμε πως το LΗC θα μπορέσει να τα προσδιορίσει. Το υπόλοιπο, που είναι περίπου το 75%, είναι στην ουσία άγνωστο. Παρουσιάζεται σαν μια πυκνότητα ενέργειας που καλύπτει όλον τον κενό χώρο, δεν ακτινοβολεί και φαίνεται να προκαλεί μια επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος. Την ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια και τόσο η προέλευση όσο και οι ιδιότητές της μας είναι άγνωστες.
Σε τι είδους παρατηρήσεις στηρίζεται όλη αυτή η ιστορία που μοιάζει με σενάριο κινηματογραφικής ταινίας; Κοιτώντας τα αστέρια και τους γαλαξίες, πόσο «παλιά» μπορούμε να δούμε; Η απάντηση είναι απλή: όσο υπήρχαν φωτεινά αντικείμενα να μας στείλουν το φως. Με τα σημερινά μέσα φτάσαμε να παρατηρούμε τους «πρωτο-γαλαξίες», τα πιο παλιά φωτεινά αντικείμενα στο ορατό Σύμπαν, περίπου δεκατρία δισεκατομμύρια χρόνια πριν από την εποχή μας. Είναι ο τελευταίος σταθμός που παρουσιάσαμε προηγουμένως. Λίγο πριν οι γαλαξίες ήταν αόρατοι και ακατασκεύαστοι... και σκότος επάνω της αβύσσου! Μπορούμε να δούμε τίποτε πιο παλιό; Οχι, αν ψάχνουμε μόνο φωτεινά αντικείμενα, αφού, όπως είπαμε, δεν υπήρχαν πιο πριν. Πρέπει να αλλάξουμε όργανα παρατήρησης και να ανιχνεύσουμε το διάχυτο φως που υπήρχε στο Σύμπαν προτού δημιουργηθούν τα ουράνια σώματα, όταν όλη η ύλη ήταν ακόμη μια άμορφη μάζα από
άτομα και φωτόνια. Το φως αυτό βρίσκεται σήμερα υπό μορφήν μιας διάχυτης ακτινοβολίας μικροκυμάτων τα οποία υπάρχουν παντού, σε όλο το Διάστημα. Τα τελευταία χρόνια, με τη βοήθεια ευαίσθητων
ανιχνευτών μικροκυμάτων, τοποθετημένων σε τεχνητούς δορυφόρους, μπορέσαμε να καταγράψουμε με ακρίβεια τις ιδιότητες αυτής της ακτινοβολίας. Και η ακρίβεια αυτή θα γίνει ακόμη μεγαλύτερη
προσεχώς, με έναν καινούργιο ευρωπαϊκό δορυφόρο, ονόματι Ρlanck, που ετέθη σε τροχιά εδώ και μερικούς μήνες και άρχισε ήδη να λειτουργεί.
Η μελέτη αυτής της κοσμικής ακτινοβολίας μάς φέρνει εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν από τη δημιουργία των αστέρων και των γαλαξιών, περίπου 100.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Εκρηξη. Είναι το πιο παλιό σήμα που μπορούμε να «δούμε» στο Σύμπαν. Οπως είπαμε προηγουμένως, πιο πριν η ύλη ήταν ιονισμένη, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια δεν ήταν δεμένα μεταξύ τους σε συγκροτημένα άτομα και τα φωτόνια δεν ήταν ελεύθερα να ταξιδέψουν και να φτάσουν σε εμάς. Για τις προηγούμενες εποχές έχουμε μόνο έμμεσες ενδείξεις. Προέρχονται από τον αριθμό και το είδος των σωματιδίων που παρατηρούμε σήμερα, που μας δίνουν πληροφορίες για το τι συνέβη τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου, καθώς και το είδος των ατομικών πυρήνων, που μας δείχνουν τις συνθήκες που επικρατούσαν την εποχή της πυρηνικής σύνθεσης.
Θα μπορέσουμε ποτέ να παρατηρήσουμε άμεσα τα πρώτα στάδια της Δημιουργίας; Δεν αποκλείεται, αλλά θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε άλλου είδους αγγελιαφόρους και όχι φωτόνια. Το πρόβλημα είναι πως το φως δεν μπορεί να διασχίσει ένα πυκνό ή ιονισμένο μέσο. Οπως δεν μπορούμε να δούμε πίσω από έναν τοίχο, έτσι δεν μπορούμε να δούμε το εσωτερικό ενός άστρου ή τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Εκρηξη. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν δύο ερευνητικά προγράμματα με σκοπό να απαντήσουν σε αυτή την πρόκληση. Το ένα χρησιμοποιεί νετρίνα και το άλλο βαρυτικά κύματα. Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωμάτια που παράγονται στις πυρηνικές αντιδράσεις και ήταν από τα πρώτα σωμάτια του Σύμπαντος. Αντιδρούν τόσο ασθενώς με την ύλη που μπορούν να διασχίσουν ανενόχλητα ένα μεγάλο άστρο. Με τη βοήθειά τους μπορούμε να μελετήσουμε το εσωτερικό του Ηλίου. Τα βαρυτικά κύματα παράγονται κατά την επιτάχυνση των μαζών, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα κατά την επιτάχυνση των ηλεκτρικών φορτίων. Η Ελλάδα είναι από τους πρωτοπόρους στην προσπάθεια ανίχνευσης κοσμικών νετρίνων με το πείραμα Νέστωρ κοντά στην Πύλο. Και τα νετρίνα και τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να μας δείξουν τις συνθήκες της δημιουργίας του Σύμπαντος, δυστυχώς όμως και στις δύο περιπτώσεις πρέπει να βελτιώσουμε τις τεχνικές μας ικανότητες κατά πολλές τάξεις μεγέθους για να μπορέσουμε να ανιχνεύσουμε και μελετήσουμε τα σήματα που θα μας δώσουν. Ενα ανοιχτό παράθυρο στη Μεγάλη Εκρηξη μοιάζει ακόμη με επιστημονική φαντασία.

πηγή: ΒΗΜΑ ΙΔΕΩΝ