Η λίστα ιστολογίων μου

Τετάρτη, 1 Ιουνίου 2011

Οι έξι κύκλοι του αέναου σύμπαντος

Κάθε κύκλος του αέναου σύμπαντος (το μοντέλο αυτό φέτος κλείνει 10 χρόνια από τότε που αναπτύχθηκε από τους κοσμολόγους Paul Steinhardt και Neil Turok) διαιρείται σε έξι στάδια. Δεδομένου ότι οι κύκλοι επαναλαμβάνονται, μπορούμε κάλλιστα να ξεκινήσουμε την περιγραφή μας από οποιοδήποτε στάδιο. Είναι καλύτερα όμως να ξεκινήσουμε από τη χρονική στιγμή κατά την οποία η θερμοκρασία και η ενεργειακή πυκνότητα του σύμπαντος φτάνουν στο απόγειο τους.
 

Η Μεγάλη Έκρηξη
Σε αντίθεση με το πληθωριστικό μοντέλο, το κυκλικό μοντέλο δεν προβλέπει κάποιο συγκεκριμένο χρονικό σημείο όπου η θερμοκρασία και η πυκνότητα τείνουν στο άπειρο. Αντιθέτως, η Μεγάλη Έκρηξη είναι ένα γεγονός που μπορεί, καταρχήν, να περιγραφεί απόλυτα από τους νόμους της φυσικής.

Πριν από την έκρηξη, ο χώρος επιπεδώνεται και γεμίζει με ενέργεια, η οποία είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη, λόγω της αποσύνθεσης της σκοτεινής ενέργειας. Τη στιγμή της έκρηξης, ένα μέρος αυτής της ενέργειας μετατρέπεται σε ομοιόμορφα κατανεμημένη, υπέρθερμη ύλη και ακτινοβολία. H θερμοκρασία είναι τόσο υψηλή, που η συνηθισμένη ύλη εξατμίζεται στα συστατικά της κουάρκ και ηλεκτρόνια, ενώ δημιουργούνται και πολλά ακόμη εξωτικά σωματίδια από τις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας.
Στο διάστημα που μεσολαβεί όμως ανάμεσα στο πριν και το μετά της έκρηξης, το υλικό του διαστήματος παραμένει άθικτο, η ενεργειακή πυκνότητα πεπερασμένη και ο χρόνος κινείται ομαλά.
H εποχή κυριαρχίας της ακτινοβολίας
Από τη στιγμή που το σύμπαν γεννιέται ήδη επίπεδο από την έκρηξη και κυριαρχεί σε αυτό η ομοιόμορφα κατανεμημένη ακτινοβολία, δεν έχει λόγο ύπαρξης στο κυκλικό μοντέλο η ενδιάμεση πληθωριστική εποχή.
Σε θερμοκρασίες κάτω των 1020 βαθμών υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στην εποχή της κυριαρχίας της ακτινοβολίας που προβλέπει το κυκλικό μοντέλο και σε αυτή που προβλέπει το πληθωριστικό μοντέλο. Όπως υποστηρίζει και το πληθωριστικό μοντέλο, οι μικρές διαφοροποιήσεις στις ιδιότητες των σωματιδίων της ύλης και της αντιύλης έχουν ως αποτέλεσμα να υπάρχει στη σύνθεση του θερμού πλάσματος ένα αμελητέο πλεόνασμα ύλης έναντι της αντιύλης.
Καθώς το σύμπαν ψύχεται, τα σωματίδια αντιύλης συγκρούονται και αλληλο-εξουδετερώνονται με τα σωματίδια της ύλης, αφήνοντας ανέπαφο μόνο το μικρό αυτό πλεόνασμα σωματιδίων ύλης, τα οποία κολυμπούν σε μια θάλασσα ακτινοβολίας.
Στο ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την έκρηξη, τα εναπομείναντα κουάρκ συνδυάζονται μεταξύ τους και σχηματίζουν πρωτόνια και νετρόνια.
Στο χρονικό σημείο του ενός δευτερολέπτου περίπου, τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενώνονται και σχηματίζουν πυρήνες ηλίου και άλλων ελαφρών στοιχείων.
H εποχή κυριαρχίας της ύλης
Όπως προβλέπει και το πληθωριστικό μοντέλο, στα 75.000 χρόνια μετά την έκρηξη η ύλη αναδεικνύεται σε κυρίαρχη μορφή ενέργειας. Τα πρώτα άτομα σχηματίζονται 380.000 χρόνια μετά την έκρηξη. Το σύμπαν γίνεται διάφανο. H ύλη σχηματίζει συγκεντρώσεις υπό την επίδραση της βαρύτητας και δημιουργούνται οι γαλαξίες. H εποχή αυτή ολοκληρώνεται μετά από πέντε δισεκατομμύρια χρόνια περίπου.
H εποχή κυριαρχίας της σκοτεινής ενέργειας
Στην αφήγηση του κυκλικού μοντέλου, η σκοτεινή ενέργεια διατηρεί τον πρωταγωνιστικό της ρόλο. Μόλις η αραίωση της ύλης και της ακτινοβολίας επιτρέψει την κυριαρχία της σκοτεινής ενέργειας, η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. H συγκέντρωση των γαλαξιών, των άστρων, της σκόνης, των μορίων και των ατόμων — όλων όσα δημιουργήθηκαν μετά την τελευταία έκρηξη – αραιώνει δραματικά και το σύμπαν προσεγγίζει μία έρημη, ομοιόμορφη κατάσταση, η οποία φέρει ελάχιστα ίχνη από τους προηγούμενους κύκλους κοσμικής εξέλιξης.
H εποχή της συστολής
Στο κυκλικό μοντέλο, η επιταχυνόμενη διαστολή δεν συνεχίζεται επ’ άπειρον – εάν συνέβαινε αυτό, ο κύκλος δεν θα έκλεινε ποτέ. Μία από τις κεντρικές υποθέσεις του κυκλικού μοντέλου είναι η αποσύνθεση της σκοτεινής ενέργειας: έπειτα από ένα τρισεκατομμύριο χρόνια περίπου, οι φυσικές ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας μεταμορφώνονται, με αποτέλεσμα να επιβραδυνθεί και εντέλει να σταματήσει η διαστολή και να ακολουθήσει μία φάση εξαιρετικά ήπιας συστολής. Εάν δεχτούμε ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να αποσυντίθεται με βραδείς, ομαλούς ρυθμούς, οι συνέπειες είναι πολλές και ενδιαφέρουσες.
O μετασχηματισμός της σκοτεινής ενέργειας κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου μπορεί να συγκριθεί με το μετασχηματισμό της ενέργειας ενός ελατηρίου, που αρχικά είναι τεντωμένο και στη συνέχεια απελευθερώνεται.
Αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η σκοτεινή ενέργεια έχει κυρίως τη μορφή «δυναμικής» ενέργειας, όπως είναι η ενέργεια του τεντωμένου ελατηρίου. H ενεργειακή της πυκνότητα είναι αρχικά πολύ μικρή – αμελητέα αν συγκριθεί με την ενεργειακή πυκνότητα της ύλης και της ακτινοβολίας. Σε αντίθεση όμως με την πυκνότητα της ύλης και της ακτινοβολίας, που μειώνεται με τη διαστολή του σύμπαντος, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σχεδόν σταθερή. Από τη στιγμή που θα κυριαρχήσει επί της ύλης και της ακτινοβολίας, η σκοτεινή ενέργεια παραμένει σε μεγάλο βαθμό σε αυτή την κατάσταση της δυναμικής ενέργειας.
Από τη σκοπιά της βαρύτητας, αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος επιταχύνεται. Έπειτα όμως από ένα τρισεκατομμύριο χρόνια περίπου, η σκοτεινή ενέργεια υφίσταται ένα μετασχηματισμό, παρόμοιο με αυτόν που υφίσταται το τεντωμένο ελατήριο όταν απελευθερώνονται τα άκρα του: η σκοτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ένα μίγμα δυναμικής και κινητικής ενέργειας.
Ταυτόχρονα, η βαρυτική επίδραση που ασκεί στο χώρο αντιστρέφεται. H διαστολή του σύμπαντος επιβραδύνεται, για να μετατραπεί στο τέλος σε ήπια συστολή. Στη συνέχεια, η σκοτεινή ενέργεια αποκτά τις ιδιότητες ενός αερίου πολύ υψηλής πίεσης, που υποχρεώνεται να απλωθεί ομοιόμορφα στο χώρο. Αυτός ο εκπληκτικός μετασχηματισμός επιλύει πολλά από τα κοσμολογικά αινίγματα που έχει το σύμπαν.
Κατά την έναρξη της φάσης συστολής του σύμπαντος, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είναι πολύ χαμηλή και ισούται με την τιμή που καταγράφεται σήμερα. Άπαξ και αρχίσει η συστολή, η ενεργειακή πυκνότητα αυξάνεται ραγδαία, ενώ η βαρυτική ενέργεια – δηλαδή η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο βαρυτικό πεδίο – μετατρέπεται κι αυτή σε σκοτεινή ενέργεια υψηλής πίεσης. H πυκνότητα της μετασχηματισμένης σκοτεινής ενέργειας αυξάνεται πολύ ταχύτερα τόσο από την πυκνότητα των άλλων μορφών ενέργειας όσο και από την καμπυλότητα του χώρου. Καθώς ξεκινάει η περίοδος της κυριαρχίας της, η σκοτεινή ενέργεια διασφαλίζει τη διατήρηση του σύμπαντος σε μία ομαλή και επίπεδη κατάσταση, ενόσω συνεχίζεται η συστολή.
H μεγάλη κατάρρευση
H συστολή καταλήγει τέλος σε μία «μεγάλη κατάρρευση» (Big Crunch). Ένα μέρος της σκοτεινής ενέργειας υψηλής πίεσης μετασχηματίζεται ξαφνικά σε θερμή ύλη και ακτινοβολία, με αποτέλεσμα το σύμπαν να αρχίσει να διαστέλλεται. H κατάρρευση μετατρέπεται σε έκρηξη. Επειδή το σύμπαν ήταν ομαλό και επίπεδο πριν από την έκρηξη, παραμένει ομαλό και επίπεδο και μετά από αυτή.
Το κυκλικό σύμπαν λύνει πολλά προβλήματα του σύμπαντος
Συνεπώς, η υψηλής πίεσης σκοτεινή ενέργεια που κυριαρχεί κατά τη φάση συστολής του κυκλικού μοντέλου παίζει τον ίδιο ρόλο σε ό,τι αφορά την απάντηση των αινιγμάτων του σύμπαντος : της ομοιογένειας (γιατί το σύμπαν ήταν τόσο απίστευτα ομοιόμορφο ένα μόλις δευτερόλεπτο μετά το Big Bang;), και της επιπεδότητας (που εξηγεί γιατί το σύμπαν γεννήθηκε σε μια κατάσταση τόσο τέλειας ισορροπίας από τη Μεγάλη Έκρηξη, που επιβιώνει επί 13.7 δισεκατομμύρια συναπτά έτη), παρόμοια με την πληθωριστική ενέργεια στο μοντέλο του διαστελλόμενού σύμπαντος.
Εξετάζοντας τα πράγματα πιο προσεκτικά, διαπιστώνουμε ότι η φάση υψηλής πίεσης του κυκλικού μοντέλου μπορεί να λύσει και το πρόβλημα της ανομοιογένειας (οι ελάχιστες διαφοροποιήσεις της πυκνότητας από σημείο σε σημείο – που οδήγησαν στο σχηματισμό των γαλαξιών – την εποχή κυριαρχίας της ύλης, κάπου 75.000 χρόνια μετά το Big Bang). Όπως και στο πληθωριστικό μοντέλο, οι ανομοιογένειες που αναπτύσσονται στη φάση συστολής του κυκλικού μοντέλου είναι το αποτέλεσμα κβαντικών διακυμάνσεων.
Μία από τις μεγαλύτερες εκπλήξεις του μοντέλου είναι ότι η υψηλής πίεσης σκοτεινή ενέργεια μπορεί να σχηματίσει πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη διαφοροποιήσεις πυκνότητας ανεξάρτητες του μήκους κύματος, οι οποίες είναι ακριβώς αυτές που μας χρειάζονται, και δεν διαφέρουν σε τίποτε σχεδόν από αυτές που προβλέπει το πληθωριστικό μοντέλο. Αυτό είναι αξιοπρόσεκτο, δεδομένου ότι οι φυσικές συνθήκες της δημιουργίας των διακυμάνσεων πυκνότητας στα δύο μοντέλα είναι σχεδόν εκ διαμέτρου αντίθετες: στη μία περίπτωση έχουμε να κάνουμε με ένα συνδυασμό βραδείας συστολής και σκοτεινής ενέργειας υψηλής πίεσης, ενώ στην άλλη έχουμε συνδυασμό ταχείας διαστολής και πληθωριστικής ενέργειας.
H συμφωνία των προβλέψεων του πληθωρισμού με τις μετρήσεις του δορυφόρου WMAP είναι ένας από τους βασικούς λόγους που εξηγούν την αποδοχή της πληθωριστικής υπόθεσης. Την ίδια συμφωνία όμως με τα δεδομένα του δορυφόρου WMAP πετυχαίνει και το κυκλικό μοντέλο. Οι υπάρχουσες μετρήσεις του μοτίβου θερμοκρασίας δεν μας επιτρέπουν να κάνουμε την παραμικρή διάκριση ανάμεσα στα δύο μοντέλα.
Στο κυκλικό μοντέλο, αφού ολοκληρωθεί η φάση της συστολής και το σύμπαν περάσει σε μια νέα φάση διαστολής, κατά την οποία βρίσκεται σε θερμή κατάσταση, διαθέτει πλέον όλα τα χαρακτηριστικά που είχε την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης έναν κύκλο νωρίτερα: είναι εξαιρετικά ομαλό και επίπεδο, παρουσιάζει όμως ορισμένες αμελητέες διαφοροποιήσεις πυκνότητας που είναι ανεξάρτητες του μήκους κύματος. Καθώς εξελίσσεται ο επόμενος κύκλος, η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται. Κάθε κύκλος διαφέρει από τους άλλους σε ορισμένες μικρολεπτομέρειες, διότι τα κβαντικά άλματα είναι τυχαία και διέπονται από τους νόμους της τυχαιότητας. Όμως κατά μέσο όρο οι ιδιότητες του σύμπαντος παραμένουν πάντα οι ίδιες. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργούνται ξανά και ξανά γαλαξίες, άστρα και πλανήτες όπως η Γη, στους οποίους μπορούν να αναπτυχθούν νοήμονες μορφές ζωής.
Πηγή: Endless Universe – Wikipedia

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου