Παράλληλα Σύμπαντα Μέρος 1ο

Δεν είναι επιστημονική φαντασία, Η ύπαρξη άλλων Συμπάντων είναι μια άμεση συνέπεια των κοσμολογικών παρατηρήσεων

Υπάρχει ένα αντίγραφό σας που διαβάζει αυτό το άρθρο; ένα πρόσωπο που δεν είσαστε εσείς αλλά ζει σ' ένα πλανήτη που λέγεται Γη, με ομιχλώδη βουνά, γόνιμα χωράφια, πολυάνθρωπες πόλεις σ' ένα ηλιακό σύστημα με 8 άλλους πλανήτες; Η ζωή αυτού του προσώπου είναι ως τώρα ίδια με τη δική σας από κάθε άποψη. Αλλά ίσως αυτός ή αυτή, τώρα αποφασίζει να παρατήσει αυτό το άρθρο ενώ εσείς συνεχίζετε να διαβάζετε. 

Η ιδέα για ένα δικό σας αντίγραφο μοιάζει παράξενη και απίθανη αλλά φαίνεται ότι θα πρέπει να συμφιλιωθούμε μαζί της γιατί υποστηρίζεται από αστρονομικά δεδομένα. Το απλούστερο και πιο διαδεδομένο κοσμολογικό μοντέλο σήμερα, προβλέπει ότι έχετε ένα δίδυμο σ' ένα γαλαξία σε απόσταση περί τα (10 στην 10²⁸ ) μέτρα από εδώ. Η απόσταση είναι τόσο μεγάλη ώστε δεν ανήκει καν στην περιοχή που παρατηρούν οι αστρονόμοι, αλλά αυτό δεν κάνει τον δίδυμο εαυτό σας λιγότερο πραγματικό. Για το πως εκτιμάται η απόσταση αυτή θα μιλήσουμε στο δεύτερο μέρος του άρθρου. Σε πολύ πιο μακρινές αποστάσεις από αυτήν υπάρχουν ολόκληρα Σύμπαντα, αντίγραφα του δικού μας. Η εκτίμηση αυτή προκύπτει από στοιχειώδεις πιθανότητες και δεν προϋποθέτει καν τις προτεινόμενες ιδέες της σύγχρονης φυσικής. Μόνο την άποψη ότι ο χώρος είναι άπειρος ή τουλάχιστον αρκούντως τεράστιος σε μέγεθος και ομοιόμορφα γεμάτος με ύλη. Αυτά λέγονται παράλληλα Σύμπαντα επιπέδου Ι. Δείτε σχετικά την σημείωση στο τέλος του 1ου μέρους.
Κάτι τέτοιο φαίνεται να επιβεβαιώνεται από τις παρατηρήσεις. Σε άπειρο χώρο, ακόμα και τα πιο απίθανα γεγονότα πρέπει να συμβαίνουν κάπου. Υπάρχουν άπειροι άλλοι κατοικήσιμοι πλανήτες, οι οποίοι περιλαμβάνουν όχι ένα αλλά άπειρους με κατοίκους που έχουν όμοια εμφάνιση με τη δική μας, όνομα και μνήμες όπως εσείς που έχουν ακολουθήσει όλες τις επιλογές που ακολουθήσατε και εσείς στη ζωή σας.  

Πιθανόν δεν θα δείτε ποτέ τους άλλους εαυτούς σας. Η πιο μεγάλη απόσταση που μπορείτε να δείτε είναι η απόσταση που μπόρεσε να ταξιδέψει το φως κατά τα 14 δισεκατομμύρια χρόνια αφότου συνέβη το Big Bang. Το πιο μακρινό ορατό αντικείμενο είναι τώρα περίπου στα 4 X 10²⁶ μέτρα μακριά μας, μια απόσταση που ορίζει το παρατηρήσιμο Σύμπαν μας. Το μέγεθος αυτό λέγεται και όγκος Hubble, ή ορίζοντας παρατήρησης ή και απλά το Σύμπαν μας. Όμοια το Σύμπαν των δίδυμων εαυτών σας είναι σφαίρες του ίδιου μεγέθους με κέντρα τους δικούς τους πλανήτες. Πρόκειται για τα πιο άμεσα παραδείγματα παράλληλων Συμπάντων. Κάθε Σύμπαν είναι απλά ένα μικρό μέρος ενός μεγαλύτερου Πολυσύμπαντος.

Με αυτόν όμως τον ορισμό του Σύμπαντος θα περίμενε κανείς η έννοια του Πολυσύμπαντος ν' ανήκει στη σφαίρα της μεταφυσικής. Η διάκριση μεταξύ φυσικής και μεταφυσικής είναι στο αν μια θεωρία είναι ελέγξιμη πειραματικά, άσχετα αν ακούγεται παράδοξη ή περιέχει μη παρατηρήσιμες ποσότητες. Τα σύνορα της φυσικής έχουν βαθμιαία διευρυνθεί ώστε να περιλαμβάνουν όλο και πιο αφηρημένες έννοιες όπως η σφαιρική Γη, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, η επιβράδυνση του χρόνου στις υψηλές ταχύτητες, η κβαντική υπέρθεση, ο καμπύλος χώρος και οι μαύρες τρύπες. Κατά τα τελευταία χρόνια και η ιδέα του Πολυσύμπαντος μπήκε σ' αυτή τη λίστα. Στηρίζεται σε καλά ελεγμένες θεωρίες όπως η Σχετικότητα και η Κβαντομηχανική, και ικανοποιεί όλα τα βασικά κριτήρια μιας εμπειρικής επιστήμης. Κάνει προβλέψεις και μπορεί να τροποποιηθεί. Οι επιστήμονες έχουν συζητήσει 4 διαφορετικούς τύπους παράλληλων Συμπάντων. Η ερώτηση κλειδί δεν είναι αν το Πολυσύμπαν υπάρχει αλλά πόσα επίπεδα έχει.  

ΠΟΛΥΣΥΜΠΑΝ ΕΠΙΠΕΔΟΥ Ι Ο απλούστερος τύπος παράλληλου Σύμπαντος είναι απλά μια περιοχή του χώρου, η οποία βρίσκεται πολύ μακριά μας για να την έχουμε δει μέχρι τώρα. Το πιο μακρινό σημείο που μπορούμε να δούμε σήμερα βρίσκεται σε απόσταση 4X1026  μέτρα ή 42 δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Είναι η απόσταση που πρόλαβε να ταξιδέψει το φως από τη στιγμή που άρχισε το Big Bang. Η απόσταση αυτή είναι μεγαλύτερη από 14 δισεκατομμύρια έτη φωτός, διότι η κοσμική διαστολή έχει μεγαλώσει τις αποστάσεις. Κάθε ένα από τα παράλληλα Σύμπαντα επιπέδου Ι είναι βασικά όμοιο με το δικό μας. Όλες οι διαφορές πηγάζουν από διαφοροποιήσεις στις αρχικές συνθήκες της ύλης.

Επίπεδο I: Πέρα από τον κοσμικό μας ορίζοντα
Τα παράλληλα Σύμπαντα των άλλων εαυτών σας αποτελούν το επίπεδο Ι του Πολυσύμπαντος. Πρόκειται για τον λιγότερο αμφιλεγόμενο τύπο. Όλοι μας δεχόμαστε την ύπαρξη πραγμάτων που δεν μπορούμε να δούμε αλλά θα βλέπαμε αν κινούμαστε σε ένα διαφορετικό πλεονεκτικό σημείο ή απλά περιμέναμε, όπως οι άνθρωποι που περιμένουν τα πλοία να εμφανιστούν στον ορίζοντα. Αντικείμενα πέρα από τον κοσμικό ορίζοντα βρίσκονται σε μια παρόμοια κατάσταση. Το παρατηρήσιμο Σύμπαν μεγαλώνει κατά ένα έτος φωτός κάθε χρόνο, καθώς το φως από όλο και μακρινότερα αντικείμενα έχει τον χρόνο να φθάσε ως εμάς. Πιθανόν θα πεθάνετε αρκετά πριν ο άλλος εαυτός σας γίνει ορατός, αλλά κατ' αρχήν και αν η κοσμική διαστολή συνεργαστεί, οι απόγονοί σας θα μπορούσαν να τον παρατηρήσουν με ένα αρκετά ισχυρό τηλεσκόπιο.   

Αν μη τι άλλο το Πολυσύμπαν Επιπέδου Ι ακούγεται μάλλον προφανές. Πως θα μπορούσε ο χώρος να μην είναι άπειρος; Υπάρχει κάπου μια πινακίδα που να λέει: "Ο χώρος τελειώνει εδώ-Προσέξτε το χάσμα"; Αν είναι έτσι τότε τι βρίσκεται πέρα από εκεί; Στην πραγματικότητα η θεωρία του Einstein για τη βαρύτητα εξετάζει αυτή την διαίσθηση. Ο χώρος θα μπορούσε να είναι πεπερασμένος αν έχει μια κυρτή καμπύλωση ή μια ασυνήθιστη τοπολογία. Ένα σφαιρικό ή σχήματος λουκουμά Σύμπαν θα είχε ένα πεπερασμένο όγκο αλλά δεν θα είχε άκρα. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου επιτρέπει ευαίσθητα τεστ τέτοιων υποθέσεων. Μέχρι τώρα όμως οι ενδείξεις είναι εναντίον τους. Τα πρότυπα που δέχονται το άπειρο Σύμπαν ταιριάζουν με τα δεδομένα μας και μπαίνουν ισχυροί περιορισμοί στα εναλλακτικά μοντέλα.     

Σημείωση: Ο αριθμός (10 στην 10¹¹⁸ ) μέτρα προκύπτει ως εξής. Το Σύμπαν μας εκτιμάμε ότι έχει περίπου 10¹¹⁸ υποατομικά σωματίδια που απαρτίζουν την ύλη, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Το πλήθος όλων των δυνατών καταστάσεων που μπορούμε να σκεφτούμε ότι φτιάχνονται μ' αυτά τα σωματίδια είναι 2 στην 10¹¹⁸ διαφορετικές διατάξεις, που αριθμητικά προσεγγίζονται ως 10 στην 10¹¹⁸ . Το 2 προκύπτει αν ληφθεί υπ' όψιν ότι το καθένα από αυτά τα σωματίδια μπορεί να υπάρχει ή να μην υπάρχει σ' αυτές τις διατάξεις. Ο καθένας από αυτούς τους συνδυασμούς αντιπροσωπεύει και ένα διαφορετικό Σύμπαν που φτιάχνεται με τα σωματίδια αυτά. Αν θέλουμε να συναντήσουμε ένα Σύμπαν πανομοιότυπο με το δικό μας θα πρέπει να βρεθούμε σε μια απόσταση πέρα από όλους αυτούς τους συνδυασμούς όπου θα έχουμε και επανάληψη αυτών των Συμπάντων. Δηλαδή να πάμε σε μια απόσταση της τάξης των (10 στην10¹¹⁸ )φορές την διάμετρο του Σύμπαντος που είναι της τάξης των 4X10²⁶  μέτρα . Το γινόμενο αυτό είναι περίπου ίσο με 10 στην10¹¹⁸ ) μέτρα.

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης

Περίπου πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, ολόκληρο το σύμπαν ήταν συμπιεσμένο στα όρια ενός ατομικού πυρήνα. Μια κατάσταση γνωστή ως ιδιομορφία, είναι η στιγμή πριν από τη δημιουργία όταν δεν υπήρχε ούτε χώρος ούτε χρόνος. Σύμφωνα με το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο που εξηγεί τον Κόσμο μας, μια απίστευτη έκρηξη, θερμοκρασίας τρισεκατομμυρίων βαθμών και απείρως πυκνή, δημιούργησε όχι μόνο τα θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια και από εκεί την υπόλοιπη ύλη, αλλά και τον ίδιο τον χώρο και χρόνο. Οι θεωρίες της κοσμολογίας συνδυασμένες με τις παρατηρήσεις των  αστρονόμων επέτρεψαν στους κοσμολόγους να αναδημιουργήσουν την αρχέγονη χρονολογία των γεγονότων, γνωστών ως Μεγάλη Έκρηξη.

Η κβαντική θεωρία προτείνει ότι λίγες στιγμές μετά από την Έκρηξη, σε 10^-43 δευτερόλεπτα, οι τέσσερις δυνάμεις της φύσης, η ισχυρή πυρηνική, η ασθενής πυρηνική, η ηλεκτρομαγνητική και τέλος η βαρύτητα ήταν ενωμένες σε μια "υπερ-δύναμη". Τα στοιχειώδη σωματίδια κουάρκς αρχίζουν να ενώνονται ανά τρία, να σχηματίζονται τα φωτόνια, τα ποζιτρόνια και τα νετρίνα, ενώ  δημιουργήθηκαν συγχρόνως και τα αντισωμάτιά τους. Σε αυτή τη φάση υπάρχουν πολύ μικρές ποσότητες πρωτονίων και νετρονίων, περίπου 1 για κάθε 1 δισεκατομμύριο φωτόνια, νετρίνα ή ηλεκτρόνια. Η πυκνότητα του σύμπαντος στην πρώτη στιγμή της ζωής του θεωρείται πως ήταν 10⁹⁴ g/cm³ με την πλειοψηφία να είναι σε μορφή ακτινοβολίας. Για κάθε ένα δισεκατομμύριο ζεύγη αδρονίων που δημιουργήθηκαν, το ένα εξαϋλώθηκε λόγω των συγκρούσεων σωματίων-αντιαντισωματίων. Τα υπόλοιπα σωματίδια αποτελούν την πλειοψηφία του σημερινού Κόσμου μας.

Κατά τη διάρκεια αυτής της δημιουργίας αλλά και εξαΰλωσης των σωματιδίων το σύμπαν υποβλήθηκε σε ένα ρυθμό επέκτασης πολλαπλάσια αυτής της ταχύτητας του φωτός. Στην εποχή αυτή που έμεινε γνωστή ως πληθωριστική εποχή, το σύμπαν σε λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου διπλασιάστηκε σε μέγεθος τουλάχιστον εκατό φορές, έτσι ξεκίνησε με διαστάσεις ενός ατομικού πυρήνα και σήμερα φτάνει τα 10³⁰ μέτρα. Ένας ισοτροπικός πληθωρισμός του σύμπαντος τελειώνει μόλις σε 10^-35 δευτερόλεπτα φτιάχνοντας τον σχεδόν με τέλεια ομαλότητα. Εάν δεν υπήρχε όμως μια μικρή διακύμανση στην κατανομή της πυκνότητας της ύλης, όπως υποστηρίζουν οι θεωρητικοί, δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν οι γαλαξίες.

Το σύμπαν ήταν σε αυτό το σημείο ένα ιονισμένο πλάσμα όπου η ύλη και η ακτινοβολία ήταν αδιάσπαστα ενωμένα. Επιπλέον, υπήρχαν ίσα ποσά σωματιδίων και αντισωματιδίων. Η αναλογία των νετρονίων και των πρωτονίων αν και μικρή είναι ίση. Όταν το σύμπαν γέρασε κατά ένα εκατοστό του δευτερολέπτου τα νετρόνια άρχισαν να διασπώνται μαζικά. Αυτή η διάσπαση επέτρεψε στα ελεύθερα ηλεκτρόνια και πρωτόνια να συνδυαστούν με άλλα σωματίδια. Τελικά τα υπόλοιπα νετρόνια ενώθηκαν με τα πρωτόνια και σχημάτισαν το βαρύ υδρογόνο (το δευτέριο). Αυτοί οι πυρήνες του δευτερίου συνδυάστηκαν ανά δύο και σχημάτισαν τους πυρήνες του ηλίου. Ο σχηματισμός της ύλης από την ενέργεια πραγματοποιείται από τα φωτόνια που υλοποιούνται σε βαρυόνια και αντιβαρυόνια, ενώ όταν ακολούθως εξαϋλώνονται να μετασχηματίζονται σε καθαρή ενέργεια. Λόγω αυτών των συγκρούσεων και εξαϋλώσεων η ύλη ήταν ανίκανη να παραμείνει βιώσιμη για πάνω από μερικά νανοδευτερόλεπτα προτού έρθει ένας βομβαρδισμός με ηλεκτρόνια που θα σκέδαζε αυτά τα φωτόνια. Όπως το νερό που παγιδεύεται μέσα σε ένα σφουγγάρι, έτσι και η ακτινοβολία ήταν τόσο πυκνή (10¹⁴g/cm³) που καμιά ακτινοβολία δεν ήταν ορατή. Την εποχή αυτή, γνωστή ως "εποχή της τελευταίας σκέδασης", η θερμοκρασία έχει μειωθεί δραματικά σε 10¹³ K μόνο με τις ισχυρές πυρηνικές, ασθενείς πυρηνικές και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις να είναι τώρα ικανές να ασκήσουν τη δύναμή τους χωριστά.

Καθώς το νέφος του αερίου επεκτείνεται ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο μετά από την αρχική Έκρηξη, και η θερμοκρασία του Κόσμου μας έχει μειωθεί σε δέκα δισεκατομμύρια βαθμούς, τα φωτόνια δεν έχουν πλέον την ενέργεια να αναστατώσουν τη δημιουργία της ύλης καθώς επίσης και να μετασχηματίσουν την ενέργεια σε ύλη. Μετά από τρία λεπτά η θερμοκρασία γίνεται ένα δισεκατομμύριο βαθμούς, ενώ τα πρωτόνια και τα νετρόνια επιβραδύνθηκαν τόσο που ήταν ικανά να πραγματοποιήσουν την πυρηνοσύνθεση. Δημιουργήθηκαν πυρήνες του ηλίου από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, και για κάθε πυρήνα του ηλίου που σχηματίστηκε έμειναν περίπου δέκα πρωτόνια ελεύθερα επιτρέποντας έτσι το 25% του σύμπαντος να αποτελείται από ήλιο. Η επόμενη σημαντική φάση της διαστολής εμφανίστηκε περίπου τριάντα λεπτά αργότερα όταν αυξήθηκε η δημιουργία των φωτονίων μέσω της εξαΰλωσης ζευγαριών ηλεκτρονίων - ποζιτρονίων. Το γεγονός ότι το σύμπαν άρχισε με ελαφρώς περισσότερα ηλεκτρόνια από ποζιτρόνια είχε εξασφαλιστεί ότι το σύμπαν μας ήταν σε θέση να διαμορφωθεί όπως το βλέπουμε σήμερα.

Το σύμπαν για τα επόμενα 380.000 χρόνια θα αρχίσει να επεκτείνεται και να ψύχεται μέχρι μια θερμοκρασία 10.000 K. Αυτές οι συνθήκες επέτρεψαν στους πυρήνες του ηλίου να απορροφήσουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και να σχηματιστούν τα πρώτα άτομα ηλίου. Εν τω μεταξύ συνδέθηκαν μαζί άτομα του υδρογόνου και σχημάτισαν το λίθιο. Είναι η εποχή που η πυκνότητα του σύμπαντος έχει φτάσει στο σημείο όπου το φως μπορεί να γίνει πια αντιληπτό. Μέχρι τότε τα φωτόνια συνέχισαν να παγιδεύονται μέσα στην ύλη. Τελικά η διαστολή επέτρεψε στο φως και την ύλη να διαχωριστούν, καθώς η ακτινοβολία γίνεται όλο και λιγότερο πυκνή. Από εκεί και πέρα διαχωρίστηκε η ύλη και η ακτινοβολία, ενώ από τότε υπάρχει και η παλαιότερη ακτινοβολία λείψανο, που γεννήθηκε στο σύμπαν.

Είναι το Σύμπαν μοναδικό ή υπάρχουν πολλά σύμπαντα;

Ο Andrei Linde στο Stanford έχει φέρει στο προσκήνιο το κοσμολογικό μοντέλο των Πολυσυμπάντων το οποίο αποκαλεί "αυτοαναπαραγόμενο πληθωριστικό Σύμπαν".
Η θεωρία βασίζεται στο μοντέλο που ανέπτυξε ο Alan Guth και αποκαλείται πληθωριστικό μοντέλο. Αυτό περιλαμβάνει την ύπαρξη πολλαπλών Συμπάντων μέσα σε κάποιο είδος χωροχρονικού αφρού. Κάθε Σύμπαν υπάρχει σε ένα κλειστό όγκο χώρου και χρόνου. Το μοντέλο του Linde, βασισμένο σε προχωρημένες έννοιες της κβαντομηχανικής δεν επιδέχεται μια εύκολη αναπαράσταση στο μυαλό μας. Τελείως απλοποιημένο, δέχεται ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις στην πληθωριστική περίοδο επέκτασης του Σύμπαντος, είχαν ένα κυματικό χαρακτήρα. Ο Linde θεωρεί ότι αυτά τα κύματα μπορούν να "παγώσουν" το ένα επί του άλλου μεγεθύνοντας έτσι το αποτέλεσμά τους.

Τα στοιβαγμένα κατ' αυτόν τον τρόπο κβαντικά κύματα μπορούν με τη σειρά τους να δημιουργήσουν τόσο έντονα σπασίματα στα βαθμωτά πεδία- τα πεδία που η κβάντωσή τους οδηγεί στην εμφάνιση των διαφόρων στοιχειωδών σωματιδίων - ώστε αυτά υπερβαίνουν μια κρίσιμη μάζα και αρχίζουν να δημιουργούν νέες πληθωριστικές περιοχές.
Το πολλαπλό Σύμπαν ο Linde το βλέπει σαν ένα αυξανόμενο fractal, που δημιουργεί πληθωριστικές περιοχές, και καθεμιά τέτοια περιοχή, επεκτείνεται και ψύχεται σ' ένα νέο Σύμπαν.

Αν ο Linde έχει δίκιο, το Σύμπαν μας είναι μόνο ένα από τα πολλά που αναπτύχθηκαν. Η θεωρία αυτή αντιμάχεται καθαρά δύο αρχαίες ιδέες γύρω από το Σύμπαν: Εκείνη που πρεσβεύει ότι το Σύμπαν είχε μια συγκεκριμένη αρχή, και εκείνη που πρεσβεύει ότι το Σύμπαν υπήρχε πάντα. Στην εικόνα του Linde, κάθε ιδιαίτερο μέρος του Πολυσύμπαντος, περιλαμβανομένου του δικού μας μέρους, ξεκίνησε από μια ανωμαλία κάπου στο παρελθόν, αλλά αυτή η ανωμαλία ήταν μόνο μια από κάποια ατέλειωτη σειρά που υπήρξαν πριν από τη συγκεκριμένη και θα συνεχίσουν να ξεφυτρώνουν και μετά από αυτήν.