Όπου κι αν κοιτάξουμε στο Σύμπαν, βλέπουμε πολλά παραδείγματα αντικειμένων που μοιάζουν, αλλά το καθένα είναι μοναδικό. Από όλους τους γαλαξίες, τα αστέρια και τους πλανήτες που γνωρίζουμε, κανένας δεν είναι πανομοιότυπος, αλλά ο καθένας έχει τη δική του μοναδική ιστορία, ιδιότητες και σύνθεση. Παρόλα αυτά, είναι μια συναρπαστική ιδέα ότι, με δεδομένο αρκετό Σύμπαν για να δουλέψουμε, τελικά τα σωματίδια μέσα σε αυτό θα είχαν οργανωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε η ίδια πιθανότητα – όσο απίθανη και αν είναι – να συμβεί πολλές διαφορετικές φορές. Ίσως, δεδομένης της ιδέας ενός άπειρου Σύμπαντος, να υπάρχει ακόμη και άπειρος αριθμός αντιγράφων κάθε συστήματος που μπορούμε να φανταστούμε (multiverse), συμπεριλαμβανομένου του πλανήτη Γη, με τον καθένα από εμάς να ζει σε αυτόν.
Αυτή η ιδέα, ότι μπορεί να υπάρχει ένας άπειρος αριθμός αντιγράφων του καθενός από εμάς κάπου εκεί έξω, οδήγησε στη σύγχρονη έννοια του Πολυσύμπαντος. Ίσως υπάρχουν διαφορετικές εκδοχές μας εκεί έξω, όπου μια μικρή απόφαση, ένα αποτέλεσμα ή ακόμη και μια κβαντική μέτρηση οδήγησε σε ένα πολύ διαφορετικό αποτέλεσμα στην πορεία. Ενώ πολλοί έχουν χλευάσει το Πολυσύμπαν ως μια θεμελιωδώς αντιεπιστημονική ιδέα – καθώς, στο κάτω κάτω, δεν υπάρχει τρόπος να δούμε, να δοκιμάσουμε ή να αποκτήσουμε πρόσβαση σε πληροφορίες για οποιοδήποτε τμήμα του σύμπαντος πέρα από το περιορισμένο παρατηρήσιμο Σύμπαν μας – το γεγονός είναι ότι η ίδια η ύπαρξη του Πολυσύμπαντος έχει τις ρίζες της στην ίδια την επιστήμη. Στην πραγματικότητα, αν δύο μόνο πράγματα είναι αληθινά:
- ότι ο κοσμικός πληθωρισμός, ο οποίος προηγήθηκε και δημιούργησε τη Μεγάλη Έκρηξη, συνέβη όπως νομίζουμε ότι συνέβη,
- και ότι ο πληθωρισμός, όπως και όλα τα άλλα πεδία στο Σύμπαν, είναι εγγενώς ένα κβαντικό πεδίο στη φύση του, υπακούοντας σε όλους τους κβαντικούς κανόνες που υπακούουν και οι άλλες κβαντικές θεωρίες,
τότε ένα Πολυσύμπαν έρχεται ως αναπόφευκτη συνέπεια αυτών των ιδεών. Να γιατί οι φυσικοί, παρά τις αντιρρήσεις μερικών, υποστηρίζουν στη συντριπτική τους πλειοψηφία ότι ένα πολυσύμπαν πρέπει να υπάρχει.
Η ιστορία ξεκινάει πίσω με την ανακάλυψη του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Πίσω στη δεκαετία του 1920, τα στοιχεία έγιναν συντριπτικά ότι όχι μόνο οι άφθονοι σπειροειδείς και ελλειπτικοί στον ουρανό ήταν στην πραγματικότητα ολόκληροι γαλαξίες από μόνοι τους, αλλά ότι όσο πιο μακριά προσδιοριζόταν ότι βρισκόταν ένας τέτοιος γαλαξίας, τόσο περισσότερο μετατοπιζόταν το φως του σε συστηματικά μεγαλύτερα μήκη κύματος. Ενώ αρχικά προτάθηκαν διάφορες ερμηνείες, όλες έπεσαν στο κενό με την αύξηση της πληθώρας των στοιχείων, ώσπου απέμεινε μόνο μία: το ίδιο το Σύμπαν υφίσταται κοσμολογική διαστολή, όπως ένα ψωμί με σταφίδες που φουσκώνει, όπου δεσμευμένα αντικείμενα όπως οι γαλαξίες (π.χ. σταφίδες) ήταν ενσωματωμένα σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν (π.χ. η ζύμη).
Αν το Σύμπαν διαστελλόταν σήμερα και η ακτινοβολία στο εσωτερικό του μετατοπιζόταν προς μεγαλύτερα μήκη κύματος και χαμηλότερες ενέργειες, τότε αυτό σημαίνει ότι στο παρελθόν το Σύμπαν πρέπει να ήταν μικρότερο, πυκνότερο, πιο ομοιόμορφο και θερμότερο. Εφόσον οποιαδήποτε ποσότητα ύλης και ακτινοβολίας αποτελεί μέρος αυτού του διαστελλόμενου Σύμπαντος, η ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης οδηγεί σε τρεις σαφείς και γενικές προβλέψεις:
ένας κοσμικός ιστός μεγάλης κλίμακας, του οποίου οι γαλαξίες μεγαλώνουν, εξελίσσονται και συσσωρεύονται πιο πλούσια με την πάροδο του χρόνου,
ένα υπόβαθρο ακτινοβολίας μελανών σωμάτων χαμηλής ενέργειας, που έχει απομείνει από τότε που σχηματίστηκαν τα ουδέτερα άτομα στο θερμό, πρώιμο Σύμπαν,
και ένα συγκεκριμένο σύνολο αναλογιών για τα ελαφρύτερα στοιχεία – υδρογόνο, ήλιο, λίθιο και τα διάφορα ισότοπά τους – που υπάρχουν ακόμη και σε περιοχές που δεν έχουν ακόμη σχηματίσει καθόλου αστέρια.
σκοτεινή ύλη
Και οι τρεις αυτές προβλέψεις έχουν επιβεβαιωθεί από τις παρατηρήσεις, και γι’ αυτό η Μεγάλη Έκρηξη κυριαρχεί ως η κορυφαία θεωρία μας για την προέλευση του Σύμπαντος, ενώ όλοι οι άλλοι ανταγωνιστές της έχουν πέσει στο περιθώριο. Ωστόσο, η Μεγάλη Έκρηξη περιγράφει μόνο πώς ήταν το Σύμπαν μας στα πολύ πρώιμα στάδιά του- δεν εξηγεί γιατί το Σύμπαν διέθετε τις συγκεκριμένες ιδιότητες που έχουμε παρατηρήσει. Στη φυσική, αν γνωρίζετε τις αρχικές συνθήκες του συστήματός σας και ποιοι είναι οι κανόνες στους οποίους υπακούει, μπορείτε να προβλέψετε με εξαιρετική ακρίβεια -στα όρια της υπολογιστικής σας ισχύος και της αβεβαιότητας που ενυπάρχει στο σύστημά σας- πώς θα εξελιχθεί αυθαίρετα στο μέλλον.
Επομένως, μπορούμε να θέσουμε το σημαντικό ερώτημα: ποιες αρχικές συνθήκες έπρεπε να έχει η Μεγάλη Έκρηξη στην αρχή της για να μας δώσει το Σύμπαν που παρατηρούμε τώρα; Οι απαντήσεις είναι λίγο εκπληκτικές, αλλά αυτό που διαπιστώνουμε είναι ότι:
έπρεπε να υπάρχει μια μέγιστη θερμοκρασία που είναι σημαντικά (περίπου κατά ~1000 φορές, τουλάχιστον) χαμηλότερη από την κλίμακα Planck, όπου οι γνωστοί νόμοι της φυσικής καταρρέουν,
το Σύμπαν έπρεπε να έχει γεννηθεί με διακυμάνσεις της πυκνότητας του ίδιου περίπου μεγέθους σε όλες τις κλίμακες (με ελαφρώς, κατά μερικά τοις εκατό, μικρότερες διακυμάνσεις μεγέθους στις μικρές κοσμικές κλίμακες από ό,τι στις μεγάλες),
ο ρυθμός διαστολής και η συνολική πυκνότητα ύλης και ενέργειας θα πρέπει να έχουν ισορροπήσει σχεδόν τέλεια: με τουλάχιστον ~30 σημαντικά ψηφία τη στιγμή που ξεκίνησε η θερμή Μεγάλη Έκρηξη,
οι ίδιες αρχικές συνθήκες – ίδια θερμοκρασία, πυκνότητα και φάσμα διακυμάνσεων – πρέπει να υπήρχαν σε όλες τις θέσεις, ακόμη και μεταξύ δύο θέσεων όπου ένα σήμα με την ταχύτητα του φωτός δεν θα μπορούσε να διανύσει τη μεταξύ τους απόσταση στο χρόνο που μεσολάβησε από τη Μεγάλη Έκρηξη,
και η συνολική εντροπία του Σύμπαντος πρέπει να ήταν πολύ, πολύ χαμηλότερη από ό,τι είναι σήμερα, κατά ένα συντελεστή πολλών τρισεκατομμυρίων.
Κάθε φορά που ερχόμαστε αντιμέτωποι με ένα ερώτημα σχετικά με τις αρχικές συνθήκες – βασικά, γιατί το σύστημά μας ξεκίνησε με τον τρόπο που πρέπει να ξεκίνησε – έχουμε μόνο δύο επιλογές στη διάθεσή μας. Μπορούμε να επικαλεστούμε το άγνωστο, λέγοντας ότι είναι έτσι επειδή είναι ο μόνος τρόπος που θα μπορούσε να είναι (δηλαδή, η εξήγηση της Lady Gaga, λέγοντας ότι απλώς “γεννήθηκε έτσι”), και δεν μπορούμε να γνωρίζουμε τίποτα περισσότερο. Ωστόσο, υπάρχει και μια επιστημονική προσέγγιση που μπορούμε να δοκιμάσουμε: μπορούμε να προσπαθήσουμε να βρούμε έναν μηχανισμό για τη δημιουργία και τη δημιουργία των συνθηκών που ξέρουμε ότι χρειαζόταν να έχουμε. Αυτή η δεύτερη οδός είναι αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν “προσφυγή στη δυναμική”, όπου ο μηχανισμός που επινοούμε πρέπει να κάνει τρία σημαντικά πράγματα.
Πρέπει να αναπαράγει κάθε επιτυχία που παράγει το μοντέλο που προσπαθεί να αντικαταστήσει -στην προκειμένη περίπτωση η θερμή Μεγάλη Έκρηξη-. Αυτοί οι προηγούμενοι ακρογωνιαίοι λίθοι πρέπει να προκύπτουν όλοι από οποιονδήποτε μηχανισμό προτείνουμε.
Πρέπει να εξηγήσει το βασικό παρατηρησιακό γεγονός που δεν μπορεί να εξηγήσει η Μεγάλη Έκρηξη: τις αρχικές συνθήκες με τις οποίες ξεκίνησε το Σύμπαν. Αυτά τα προβλήματα, αυτά που μένουν ανεξήγητα μόνο μέσα από τη Μεγάλη Έκρηξη, πρέπει να εξηγηθούν από οποιαδήποτε νέα ιδέα προκύψει.
Και πρέπει να κάνει νέες προβλέψεις που να διαφέρουν από τις προβλέψεις της αρχικής θεωρίας (της Μεγάλης Έκρηξης), όπου αυτές οι προβλέψεις πρέπει να οδηγούν σε μια συνέπεια που να είναι με κάποιο τρόπο παρατηρήσιμη, ελέγξιμη ή/και μετρήσιμη.
Η μόνη ιδέα που είχαμε μέχρι σήμερα και πληρούσε και τα τρία αυτά κριτήρια ήταν η θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού, η οποία έχει πλέον σημειώσει πρωτοφανείς επιτυχίες και στα τρία μέτωπα.
Αυτό που λέει βασικά ο πληθωρισμός είναι ότι το Σύμπαν, πριν γίνει θερμό, πυκνό και γεμάτο με ύλη και ακτινοβολία παντού, βρισκόταν σε μια κατάσταση όπου κυριαρχούσε μια πολύ μεγάλη ποσότητα ενέργειας που ήταν εγγενής στο ίδιο το διάστημα: κάποιο είδος πεδίου ή ενέργειας κενού. Μόνο που, σε αντίθεση με τη σημερινή σκοτεινή ενέργεια, η οποία έχει πολύ μικρή ενεργειακή πυκνότητα (το ισοδύναμο περίπου ενός πρωτονίου ανά κυβικό μέτρο χώρου), η ενεργειακή πυκνότητα κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού ήταν τεράστια: περίπου ~1025 φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας που είναι σήμερα. Δεδομένου ότι η πυκνότητα ενέργειας, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν, είναι αυτή που καθορίζει τον ρυθμό διαστολής, αυτό σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, ο ρυθμός διαστολής όχι μόνο ήταν απίστευτα μεγάλος, αλλά ήταν και αμείλικτος: καθώς ο χώρος συνεχίζει να διαστέλλεται, ο ρυθμός διαστολής παραμένει τεράστιος.
Αυτή είναι μια βαθιά διαφορετική συμπεριφορά από το Σύμπαν που γνωρίζουμε σήμερα. Σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν με ύλη και ακτινοβολία, ο όγκος αυξάνεται, ενώ ο αριθμός των σωματιδίων παραμένει ο ίδιος, και ως εκ τούτου η πυκνότητα μειώνεται. Δεδομένου ότι η πυκνότητα ενέργειας σχετίζεται με τον ρυθμό διαστολής, ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος επιβραδύνεται με την πάροδο του χρόνου.
Αν όμως η ενεργειακή πυκνότητα έχει μια μορφή που είναι εγγενής στον ίδιο τον χώρο, τότε η ενεργειακή πυκνότητα παραμένει σταθερή με τον χρόνο, και το ίδιο θα συμβεί και με τον ρυθμό διαστολής. Το αποτέλεσμα είναι αυτό που γνωρίζουμε ως εκθετική διαστολή, όπου μετά από ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, το Σύμπαν διπλασιάζεται σε μέγεθος, και αφού περάσει πάλι αυτός ο χρόνος, διπλασιάζεται πάλι, και ούτω καθεξής. Σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα – ένα μικροσκοπικό κλάσμα του δευτερολέπτου – μια περιοχή που αρχικά ήταν μικρότερη από το μικρότερο υποατομικό σωματίδιο μπορεί να τεντωθεί και να γίνει μεγαλύτερη από ό,τι είναι σήμερα ολόκληρο το ορατό Σύμπαν.