Κοσμολογία

Ένα από τα πλέον έντονα χαρακτηριστικά του Σύμπαντος είναι η διαστρωμάτωσή του σε επάλληλα επίπεδα δομής. Ο καθημερινός μας κόσμος, βεβαίως, ελάχιστα επηρεάζεται από τις λεπτομέρειες που αφορούν τα άτομα ή τους γαλαξίες ―κάτι το οποίο ασφαλώς ισχύει και αντίστροφα. Αλλά εάν τα πράγματα ήταν διαφορετικά, δεν θα μπορούσαμε να αναπτύξουμε την επιστήμη, αφού δεν θα ήταν δυνατόν να μάθουμε το οτιδήποτε χωρίς προηγουμένως να γνωρίζουμε τα πάντα. Ωστόσο, μερικές φορές τα διάφορα επίπεδα της πραγματικότητας όντως αναμειγνύονται, με παράξενες συνέπειες.

Τον Μάρτιο που μας πέρασε, μια ομάδα κοσμολόγων ―ο Edward Kolb του Fermilab (Ιλινόις, ΗΠΑ) και οι Sabino Matarrese, Alessio Notari και Antonio Riotto του ιταλικού Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (Ρώμη)― ισχυρίστηκαν ότι η επιτάχυνση της κοσμικής διαστολής (η οποία συγκαταλέγεται μεταξύ των μεγαλύτερων μυστηρίων της σύγχρονης επιστήμης) αποτελεί μια τέτοια παράξενη συνέπεια. Και τούτος ο ισχυρισμός θα μπορούσε να είναι η κομψότερη εξήγηση της κοσμικής επιτάχυνσης που έχει προταθεί ώς τώρα, αφού δεν απαιτεί εξωτικές μορφές ενέργειας ή νέους φυσικούς νόμους αλλά απλώς μια προσεκτική εκτίμηση του πώς δομές εξαιρετικά διαφορετικού μεγέθους διασυνδέονται μέσω της βαρύτητας. Ή θα μπορούσε να είναι μια περίπτωση κοσμολογικής ψυχρής σύντηξης.

Κατά τυπική πρακτική, οι κοσμολόγοι υποθέτουν ότι η λεπτομερής διάταξη της ύλης δεν διαδραματίζει κανένα ρόλο στη γενικότερη εικόνα και εξέλιξη του Σύμπαντος. Στο Καθιερωμένο Μοντέλο τους, η πυκνότητα του Σύμπαντος θεωρείται ότι δεν διέφερε από περιοχή σε περιοχή αλλά είχε μια ενιαία μέση τιμή της τάξεως του ενός ατόμου ανά κυβικό μέτρο. Βασιζόμενοι σε αυτή την παραδοχή, οι κοσμολόγοι λύνουν τις εξισώσεις τους ως προς το ρυθμό διαστολής αυτού του «προσεγγιστικού» σύμπαντος, τον οποίο στη συνέχεια εξισώνουν με τον μέσο ρυθμό διαστολής του πραγματικού Σύμπαντος. Ξεχωριστά τμήματα χώρου ενδέχεται να διαστέλλονται ταχύτερα ή βραδύτερα, ωστόσο οι ερευνητές θεωρούν ότι αυτού του είδους οι ασυμφωνίες έχουν τοπικό χαρακτήρα.

Αλλά το πρόβλημα είναι ότι οι μέσες τιμές μπορεί συχνά να μας παραπλανούν. Ένα μπαλάκι του γκολφ, για παράδειγμα, είναι κατά μέσο όρο μια τέλεια σφαίρα. Ωστόσο, δεν διασχίζει τον αέρα όπως εκείνη. Τα μικρά βαθουλώματα στην επιφάνειά του έχουν ως αποτέλεσμα διπλασιασμό ή και τριπλασιασμό του βεληνεκούς του. Η βαρύτητα ―όπως και η συμπεριφορά του αέρα που ρέει πάνω από τα βαθουλώματα― χαρακτηρίζεται από μη γραμμικότητα, γεγονός το οποίο οδήγησε τον κοσμολόγο George Ellis, του Πανεπιστημίου τού Κέιπ Τάουν στη Νότια Αφρική, να υποθέσει κατά τη δεκαετία του 1980 ότι η μικροσκοπικής κλίμακας υφή του Σύμπαντος μπορεί να επηρεάζει τη μεγάλης κλίμακας συμπεριφορά του. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως επανάδραση (back-reaction). Αναλογίες μπορεί να βρει κανείς και σε άλλους τομείς πέραν της κοσμολογίας. Ο ήχος, για παράδειγμα, μπορεί να θεωρηθεί ως άθροισμα κυμάτων διαφορετικών μηκών κύματος, καθένα από τα οποία διαδίδεται στο μέσο ωσάν να μην υπήρχαν τα άλλα εκεί. Ωστόσο, όταν λαμβάνουν χώρα μη γραμμικές διαδικασίες, διαφορετικά μήκη κύματος μπορούν να αναμειγνύονται, ακόμη και να μεταβάλλουν τη μέση πυκνότητα του αέρα.

Αυτό που θα όφειλαν να κάνουν οι κοσμολόγοι θα ήταν να παρακολουθήσουν τις βαρυτικές επιδράσεις της ύλης αυτούσιες ―να πάρουν τον μέσο όρο αφού έχουν επιλύσει τις εξισώσεις τους και όχι πριν. Το συγκεκριμένο έργο, ωστόσο, είναι πολύ δύσκολο. Έτσι, παρότι συμφωνούν γενικά ότι η επανάδραση είναι πραγματικό γεγονός, διαφωνούν για την έκτασή του. Ο Kolb και οι συνάδελφοί του διατείνονται ότι είναι τεράστια. Τονίζουν όμως ότι το φαινόμενο βασίζεται σε μια σύνδεση όχι μόνο μεταξύ της κλίμακας του μικρού και του μεγάλου αλλά και μεταξύ του μεγάλου και του ακόμα μεγαλύτερου ―βασικά, απέδωσαν την επιτάχυνση του παρατηρήσιμου Σύμπαντος σε ύλη ευρισκόμενη πέραν αυτού. Τούτο, όμως, φαίνεται εξ ορισμού αδύνατο. Η απομακρυσμένη ύλη μπορεί μεν να είχε επαφή με το Σύμπαν μας πολύ πριν βρεθεί εκτός ορίζοντα γεγονότων, ωστόσο οι επικριτές της άποψης, όπως ο Christopher Hirata, του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, και ο Uros Seljak, του Διεθνούς Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής στην Τεργέστη της Ιταλίας, επεσήμαναν ότι δεν μπορεί να εξακολουθεί να ασκεί την οποιαδήποτε επίδραση πάνω μας χωρίς να παραβιάζεται η θεωρία της σχετικότητας.

Η ομάδα τού Kolb αναγνώρισε ότι είχε διαπράξει μερικά λάθη, και επέστρεψε με μια νέα εργασία με θέμα την επανάδραση που εκδηλώνεται αποκλειστικά μεταξύ της κλίμακας του μικρού και του μεγάλου. Η προσέγγιση αυτή ίσως εξηγήσει την αποκαλούμενη «κοσμική σύμπτωση», δηλαδή για ποιο λόγο η επιτάχυνση άρχισε να εκδηλώνεται περίπου την ίδια χρονική περίοδο που η ανάπτυξη των γαλαξιών έγινε έντονα μη γραμμική. Η απότομη αύξηση της πυκνότητας των γαλαξιών μπορεί να οδήγησε στη μείωση της μέσης κοσμικής πυκνότητας, γεγονός το οποίο είχε ως συνέπεια την επιτάχυνση της διαστολής.

Ωστόσο, από προηγούμενους υπολογισμούς τού Seljak και των συναδέλφων του φαίνεται ότι μια τέτοια επίδραση δεν θα ήταν αρκετά ισχυρή. Μάλιστα, ακόμα και ευνοϊκά διακείμενοι κοσμολόγοι σημειώνουν ότι ο δρόμος που απομένει είναι ακόμα μακρύς. «Στο σημείο που βρισκόμαστε, παίρνουμε μια ιδέα τού πώς θα μπορούσαν να έχουν γίνει τα πράγματα» αναφέρει ο Sysky Räsänen, του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης. «Είναι μια ιδέα που μας παροτρύνει στην εκτέλεση περισσότερων υπολογισμών, και όχι μια ιδέα που υποστηρίζεται από τους υπολογισμούς.»

Επιστημονικά Νέα - Αύγουστος, 2005