The Big Bang

 

Η ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ

Το φαινόμενο Doppler. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, η συχνότητα ενός ήχου που ακούμε μεταβάλλεται σε συνάρτηση με την κίνηση της πηγής που τον εκπέμπει. Για παράδειγμα, ο ήχος ενός αυτοκινήτου ή ενός τρένου, γίνεται οξύτερος ή  βαρύτερος, ανάλογα με το αν πλησιάζουν ή απομακρύνονται από μας.

Με ανάλογο τρόπο συμπεριφέρεται και το φως. Αν η πηγή κινείται, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα φτάνει στον παρατηρητή με διαφορετική συχνότητα• και, συνεπώς με διαφορετικό μήκος κύματος από αυτό που εκπέμπεται. Έτσι αν ένα άστρο πλησιάζει προς τη Γη, το φως του θα μετατοπιστεί προς την κυανή περιοχή του φάσματος• αν απομακρύνεται, το φως που δεχόμαστε θα μετατοπιστεί προς μεγαλύτερα μήκη κύματος, δηλαδή προς το ερυθρό.

Στηριγμένος σ’ αυτό το απλό φαινόμενο –«ίσως το φως θα είναι μια νέα τυραννία, ποιος ξέρει τι καινούρια πράγματα θα δείξει»- ο αστρονόμος Hubble έφτασε το 1929, σε μια επαναστατική διαπίστωση για το Σύμπαν: ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται!

Πράγματι: οι χαρακτηριστικές φασματικές γραμμές στις οποίες το φως ενός άστρου αναλύεται, παρουσίαζαν μια διαρκή και αναμφισβήτητη μετατόπιση προς το ερυθρό. Μετατόπιση μάλιστα τόσο μεγαλύτερη όσο η απόσταση του γαλαξία στον οποίο ανήκε το άστρο ήταν μεγαλύτερη.

 Από πού όμως απομακρύνονται οι γαλαξίες; Ο αθεράπευτος εγωισμός μας θα έδιδε την απάντηση ότι απομακρύνονται από μας, από τον δικό μας Γαλαξία. Αυτό ωστόσο αντιφάσκει με μια γενικά παραδεκτή κοσμολογική αρχή, που δέχεται την ομοιογένεια του Σύμπαντος και δεν αποδίδει καμιά ιδιαίτερη σημασία στον Γαλαξία μας. Έτσι οι πιθανοί κάτοικοι οποιουδήποτε γαλαξία θα έβλεπαν και αυτοί τους άλλους γαλαξίες να απομακρύνονται και μάλιστα με τον ίδιο απλό νόμο που διατύπωσε ο Hubble. Με ταχύτητα, δηλαδή, απομακρύνσεως ανάλογη προς την απόστασή τους. Όσο μακρύτερα είναι ο γαλαξίας , τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα φυγής του.

Κέντρο στο Σύμπαν δεν υπάρχει

Ο Επιμενίδης ο Κρης είχε πει κάτι παρόμοιο: Δεν υπάρχει κέντρο -«ομφαλός»- ούτε στη γη ούτε στη θάλασσα, γιατί αν υπήρχε θα ήταν ορατό από τους θεούς, αφανές όμως στους θνητούς.

 Το συμπέρασμα, πάντως, από την απομάκρυνση των γαλαξιών, είναι συγκλονιστικό.

Ζούμε σ’ ένα Σύμπαν που διαστέλλεται! Το Σύμπαν δεν είναι στατικό, αλλά διαστέλλεται δημιουργώντας διαρκώς καινούριο χώρο γύρω του. Ο ίδιος ο χώρος μεγαλώνει!

Ερωτήσεις, γράφει ο Γραμματικάκης, όπως «τι υπάρχει πέρα από το Σύμπαν» ή «σε τι διαστέλλεται το Σύμπαν» είναι χωρίς νόημα.

Είναι λοιπόν αναμφισβήτητο ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται, τούτο όμως οδηγεί σε μια παραδοχή αναπότρεπτη. Ότι κάποια στιγμή στο μακρινό παρελθόν, οι γαλαξίες είχαν μια κοινή εκκίνηση. Όλη, δηλαδή, η ύλη και η ενέργεια του Σύμπαντος- η φωτεινή ακτινοβολία, οι γαλαξίες, οι πλανήτες, η αρχέγονη ύλη του σώματός μας- ήταν συγκεντρωμένα σε ένα σημείο! Ένα σημείο, την αρχή του παντός, που είχε άπειρη πυκνότητα και θερμοκρασία.

Στο σημείο αυτό, κάποια στιγμή και για λόγους που δεν γνωρίζουμε, έγινε μια τρομακτική έκρηξη. Από αυτήν την έκρηξη, το Big Bang, προήλθε το σημερινό Σύμπαν. Η φυγή των γαλαξιών οφείλεται στην τεράστια ορμή που απέκτησε η αρχέγονη ύλη κατά την έκρηξη• και που, ακόμη και σήμερα, είναι ικανή να υπερνικά τις δυνάμεις έλξεως ανάμεσα στους γαλαξίες.

Συγκεκριμένο σημείο όπου έγινε η έκρηξη δεν μπορεί να νοηθεί.

 

Ο ίδιος ο χώρος και ο χρόνος δημιουργούνται τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης.

 Αυτή η βασική αρχή, που συνάγεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας, μας απαλλάσσει από ενοχλητικές ερωτήσεις για το τι έγινε ή τι υπήρχε «πριν». Τίποτα δεν υπήρχε και τίποτα δεν έγινε πριν, αφού ο χρόνος και ο χώρος δεν ήταν υπάρχουσες οντότητες.

 

Όπως υπολογίζεται εύκολα από τον νόμο του Hubble και από πρόσφατες παρατηρήσεις, η Μεγάλη Έκρηξη πρέπει να έλαβε χώρα πριν από 14 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή είναι η χρονική στιγμή μηδέν.

 

Ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία από άπειρη που ήταν, πέφτει στα 10 δισεκατομμύρια βαθμούς. Στη θερμοκρασία αυτή τα αρχέγονα υλικά σωματίδια –το γενικόλογο υποδηλώνει και την άγνοιά μας- έχουν ήδη διασπαστεί σε πρωτόνια και νετρόνια.

Το νεαρό Σύμπαν περιέχει επίσης ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, που διαρκώς συγκρούονται και εξαϋλώνονται σε φως.

 Αντίστροφα η φωτεινή ακτινοβολία διαρκώς μετατρέπεται σε ύλη.

 Οι πυρήνες του δευτερίου και του ηλίου σχηματίζονται από πρωτόνια και νετρόνια.

 Στην ηλικία των 400.000 χρόνων η θερμοκρασία του Σύμπαντος πέφτει στους 3.000 βαθμούς και τότε σχηματίζονται τα πρωταρχικά άτομα• προς τούτο τα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται σε καθορισμένες τροχιές γύρω από τους πυρήνες και κάνουν την εμφάνισή τους τα άτομα του υδρογόνου και του  ηλίου, που από τότε δεσπόζουν στη σύσταση του Σύμπαντος.

Τα άτομα όμως είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, και έτσι οι αλληλεπιδράσεις του φωτός με την ύλη γίνονται πολύ δύσκολες.

Το φως αποδεσμεύεται από την ύλη και αρχίζει τη μοναχική του περιπλάνηση στο Σύμπαν.

 Είναι το ίδιο που φτάνει ως εμάς σήμερα, αποτελώντας έναν αψευδή μάρτυρα της Μεγάλης Έκρηξης.

 

Τρία δισεκατομμύρια χρόνια μετά την Έκρηξη σχηματίζονται οι κβάζαρ, που παρατηρούνται σήμερα στις εσχατιές του Σύμπαντος με ισχυρά τηλεσκόπια• είναι οι αρχέγονοι γαλαξίες.

 

 Ο δικός μας και οι άλλοι γαλαξίες σχηματίζονται υπό την επίδραση του βαρυτικού πεδίου, 7 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

 

Τέλος, πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα και ενώ το Σύμπαν έχει ήδη την υπολογίσιμη ηλικία των 10 δισεκατομμυρίων ετών, από κάποια τοπική συγκέντρωση ύλης στον Γαλαξία μας  γεννιέται με αργή διαδικασία ο Ήλιος.

 

 Από το ίδιο νεφέλωμα που σχημάτισε τον ήλιο αποσπώνται, λίγο αργότερα, κομμάτια ύλης που θα εξελιχτούν στους πλανήτες. Ένας από αυτούς, η Γη, θα αναδειχθεί ικανός να φιλοξενήσει το φαινόμενο της ζωής.

 

Γιατί πιστεύουμε στη Μεγάλη Έκρηξη

 

Στην πολύ μεγάλη πλειονότητά τους, οι επιστήμονες πιστεύουν στη Μεγάλη Έκρηξη (the Big Bang).

Η απομάκρυνση των γαλαξιών είναι μια πολύ σοβαρή ένδειξη για την ορθότητα της θεωρίας αυτής• αλλά δεν είναι αρκετή.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας, με την οποία περιγράφηκε η δομή του κόσμου από τη μεγαλοφυΐα του Αϊνστάιν ταυτίζεται και αυτή  με το σημείο μηδέν της Μεγάλης Έκρηξης.

Εκτός όμως από αυτά, υπάρχουν και δύο σοβαρές πειραματικές ενδείξεις που υποστηρίζουν τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Η πρώτη αναφέρεται στην περίοδο της πυρηνοσύνθεσης, που οδήγησε στον σχηματισμό των πρώτων στοιχείων του περιοδικού συστήματος. Και έχει ως βάση το εντυπωσιακό γεγονός ότι, παρά τη φαινομενική ποικιλία της, η ύλη στο σημερινό Σύμπαν αποτελείται κατά 75% από υδρογόνο• το ήλιο συνιστά το 22-23 %, ενώ βαρύτερα στοιχεία (π.χ. οξυγόνο, άζωτο ή ο σίδηρος), τα οποία είναι τόσο οικεία στην ανθρώπινη ζωή, δεν συνιστούν πάνω από 2-3% της ύλης του Σύμπαντος.

Οι πυρήνες όμως του ηλίου σχηματίστηκαν από την ένωση δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων, τα πρώτα 15 λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τότε και μόνο τότε ήταν ευνοϊκές οι ενεργειακές συνθήκες γι’ αυτήν την πυρηνική διαδικασία. Με βάση τους νόμους της πυρηνικής φυσικής είναι δυνατόν να υπολογιστεί το ποσοστό του ηλίου που παρήχθη μ’ αυτόν τον τρόπο. Οι υπολογισμοί, ως εκ θαύματος, συμφωνούν με την πραγματική τιμή που ανευρίσκεται σήμερα στο Σύμπαν.

 

Το δεύτερο «πειραματικό» στήριγμα στο θεωρητικό πρότυπο, (στη Μεγάλη Έκρηξη), αναφέρεται σε μια άλλη ανακάλυψη από τις εντυπωσιακότερες στην ιστορία της επιστήμης.

Ο θεωρητικός φυσικός Gamow και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ότι η φωτεινή ακτινοβολία που υπήρχε στο βάθος του διαστήματος από την ηλικία του Σύμπαντος των 400.000 ετών, πρέπει να έχει σήμερα μια θερμοκρασία περίπου 3 βαθμών Κέλβιν• λίγο δηλαδή πάνω από το απόλυτο μηδέν. Οι υπολογισμοί του πέρασαν σχεδόν απαρατήρητοι, επειδή τότε λίγοι πίστευαν στη δημιουργία του Σύμπαντος από μια αρχική υπέρθερμη σφαίρα.

 

 Η ιστορική ανακάλυψη ήρθε τυχαία, όπως γίνεται συχνά στη φυσική.

 

Το 1965, ανακάλυψαν μια ανεξήγητη ακτινοβολία. Η σωστή ερμηνεία δόθηκε γρήγορα και ήταν συγκλονιστική: η ακτινοβολία αυτή είναι το φως που αποδεσμεύτηκε από την ύλη, δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Είναι μια ακτινοβολία μικροκυμάτων, με θερμοκρασία 3 Κ. Όπως η ζέστη σ’ ένα σβησμένο τζάκι, η ασθενική ακτινοβολία μικροκυμάτων πιστοποιεί την ύπαρξη μιας λαμπρότατης φωτιάς στο παρελθόν.

 

Το 1989 εκτοξεύτηκε στο διάστημα ο δορυφόρος COBE, o οποίος επιβεβαίωσε ότι η κοσμική ακτινοβολία ερχόταν πράγματι από όλα τα σημεία του ουρανού και δεν άφηνε αμφιβολία για την κοσμογονική της προέλευση.

Μια άλλη όμως ανακάλυψη του COBE συντάραξε την επιστημονική κοινότητα όσο και την κοινή γνώμη.

 

 Αφορούσε τον σχηματισμό των γαλαξιών.

 

Την εμφάνιση δηλαδή, μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, κάποιων πρώιμων συγκεντρώσεων ύλης. Έμοιαζαν με ανεπαίσθητους κυματισμούς

(ripples) σε έναν απέραντο και ομοιόμορφο ωκεανό.

 

Με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια μελετήθηκε η ακτινοβολία μικροκυμάτων από τον δορυφόρο WMAP, που στάλθηκε στο διάστημα στις αρχές του 2000.

Με βάση τα αποτελέσματά του, η ηλικία του Σύμπαντος μειώθηκε από τα 15 δισεκατομμύρια στα 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.