Η κοσμική πληθωριστική διαστολή είναι ένα από τα πιο επιτυχημένα μοντέλα της κοσμολογίας, αλλά και ένα από εκείνα με τη λιγότερη φυσική τεκμηρίωση πίσω τους. Όπως σημειώνει η Leah Crane, αυτό αφήνει ένα ανοιχτό ερώτημα που μπορεί να κρίνει πολλά για τη φυσική όπως τη γνωρίζουμε.
Μπορεί μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας να φωτίσει όσα συνέβησαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη;
Η πληθωριστική διαστολή θεωρείται ότι συνέβη στο πρώτο απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου της ζωής του σύμπαντος. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, το σύμπαν φέρεται να μεγάλωσε κατά περίπου 10^30 φορές. Και ύστερα, τόσο ξαφνικά όσο άρχισε, αυτή η εκθετική ανάπτυξη σταμάτησε.
Η ιδέα προτάθηκε αρχικά επειδή, αν γυρίσει κανείς πίσω την εξέλιξη των μεγάλων κοσμικών δομών, των γαλαξιών και των άστρων όπως τα βλέπουμε σήμερα, καταλήγει στο συμπέρασμα ότι τα πάντα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Έκρηξη. Η πληθωριστική διαστολή έδωσε λύση σε αρκετά προβλήματα της κοσμολογίας της Μεγάλης Έκρηξης, όμως σε ορισμένους επιστημονικούς κύκλους εξακολουθεί να θεωρείται αμφιλεγόμενη. Και για τους ερευνητές που προσπαθούν να ενώσουν τους νόμους του πολύ μεγάλου με εκείνους του πολύ μικρού — ίσως το μεγαλύτερο πρόβλημα της σύγχρονης κοσμολογίας — αποτελεί το σοβαρότερο εμπόδιο.
Πρώτα, τα καλά νέα. Πέρα από το ότι εξηγεί πώς το σύμπαν πέρασε από μια πολύ μικρή σε μια πολύ μεγαλύτερη κατάσταση, η πληθωριστική διαστολή εξηγεί και αυτό που θα ονομάζαμε πρόβλημα της δομής: πώς σχηματίστηκε οτιδήποτε μεγαλύτερο από έναν πλανήτη. Πριν από την πληθωριστική φάση, το σύμπαν θα ήταν σε μεγάλο βαθμό ομοιογενές, με μόνο τις ελάχιστες διακυμάνσεις που προκαλούνταν από κβαντικά φαινόμενα. Η πληθωριστική διαστολή θα μεγέθυνε αυτές τις διακυμάνσεις και θα δημιουργούσε νέες, μέχρι να γίνουν αρκετά σημαντικές ώστε να αρχίσει η συσσώρευση της ύλης λόγω βαρύτητας και στη συνέχεια ο σχηματισμός γαλαξιών, άστρων και όλων όσων βλέπουμε σήμερα στο σύμπαν. Χωρίς πληθωριστική διαστολή, δεν θα υπήρχαν άστρα, πόσο μάλλον δομές τόσο τεράστιες όσο οι γαλαξίες και τα υπερσμήνη.
Ίσως να φαίνεται αντιδιαισθητικό, αλλά η πληθωριστική διαστολή εξηγεί και γιατί όλα στο σύμπαν μοιάζουν περίπου ίδια. Αυτό είναι το λεγόμενο πρόβλημα του ορίζοντα: αν κοιτάξουμε όσο πιο μακριά γίνεται σε δύο αντίθετες κατευθύνσεις, οι εικόνες είναι εξαιρετικά όμοιες. Όμως δύο περιοχές του διαστήματος στα αντίθετα άκρα του ορατού σύμπαντος είναι πολύ απομακρυσμένες για να έχουν αλληλεπιδράσει με ουσιαστικό τρόπο, έστω και μέσω του φωτός. Άρα, χωρίς πληθωριστική διαστολή, δεν υπάρχει λόγος να είναι ίδιες.
Με την πληθωριστική διαστολή στο μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, όμως, μπορούμε να πούμε ότι όλες οι περιοχές του διαστήματος ήταν κάποτε αρκετά κοντά ώστε να αλληλεπιδράσουν και να φτάσουν σε ισορροπία, πριν εξαπλωθούν γρήγορα προς τα έξω. Το πρόβλημα της δομής και το πρόβλημα του ορίζοντα είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος: η πληθωριστική διαστολή εξηγεί τόσο γιατί το σύμπαν είναι «σβωλιασμένο» όσο και γιατί είναι ομοιόμορφο. Καλύπτει επίσης και άλλα κενά στην υπόθεση της Μεγάλης Έκρηξης. Με απλά λόγια, είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στο να εξηγεί γιατί το σύμπαν έχει σήμερα αυτή την εικόνα.
Ωστόσο, δεν λείπουν οι επικριτές της, και όχι χωρίς λόγο. Πρώτα απ’ όλα, δεν γνωρίζουμε πραγματικά γιατί θα έπρεπε να συμβεί η πληθωριστική διαστολή. Για να ξεκινήσει, το σύμπαν θα έπρεπε να είχε εξαιρετικά συγκεκριμένες αρχικές συνθήκες, κάτι που οδηγεί σε αυτό που οι κοσμολόγοι αποκαλούν πρόβλημα λεπτής ρύθμισης: δεν μπορούμε να εξηγήσουμε γιατί το σύμπαν θα είχε αυτές τις αρχικές συνθήκες, οπότε μοιάζει σαν να «πειράζουμε» τους αριθμούς για να ταιριάξουν με τις θεωρίες μας, αντί να βρίσκουμε απλώς τη θεωρία που ταιριάζει φυσικά καλύτερα.
Οι ερευνητές διαφωνούν για το αν οι θεωρίες πληθωρισμού προκαλούν το πρόβλημα λεπτής ρύθμισης, όμως σχεδόν όλοι συμφωνούν ότι η λεπτή ρύθμιση είναι κακή επιστήμη. Η σκιά της σε οποιαδήποτε θεωρία αρκεί για να ανησυχήσει πολλούς φυσικούς.
Έτσι, ένας μηχανισμός για να ξεκινήσει η πληθωριστική διαστολή είναι δύσκολο να βρεθεί, και το ίδιο δύσκολο είναι να βρεθεί κι ένας μηχανισμός για να σταματήσει αφού έχει αρχίσει, για παρόμοιους λόγους. Φυσικά, υπάρχουν πολλά διαφορετικά μοντέλα πληθωρισμού, το καθένα με τα στοιχεία του υπέρ και κατά. Τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο σύνθετα όταν προστεθούν και τα υπόλοιπα μυστήρια της κοσμολογίας.
Το μεγαλύτερο από αυτά είναι η σχέση της γενικής σχετικότητας, δηλαδή της φυσικής του εξαιρετικά μεγάλου (που μεσολαβείται από τη βαρύτητα), με την κβαντική μηχανική, δηλαδή τη φυσική του εξαιρετικά μικρού. Αυτές οι δύο θεωρίες θα έπρεπε να συναντιούνται κάπου στη μέση, ώστε να μπορούν να ενωθούν σε μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας, όμως αυτό δεν συμβαίνει.
Η ριζοσπαστική ιδέα ότι ο χωροχρόνος «θυμάται» θα μπορούσε να ανατρέψει την κοσμολογία
Η εποχή της πληθωριστικής διαστολής και οι απειροελάχιστες χρονικές στιγμές πριν από αυτήν είναι ένα σημείο όπου το εξαιρετικά μικρό και το εξαιρετικά μεγάλο συνδέονται. Εκεί όλα είναι τόσο πυκνά, ώστε η συνήθως ασθενής βαρύτητα γίνεται εξαιρετικά ισχυρή, και τόσο μικρά, ώστε κυριαρχούν τα κβαντικά φαινόμενα. Για την κβαντική βαρύτητα, αυτό κάνει την πληθωριστική εποχή το ιδανικό πεδίο δράσης.
Ένα επιτυχημένο μοντέλο κβαντικής βαρύτητας πρέπει, λοιπόν, όχι μόνο να περιγράφει τις επιδράσεις της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής στο σημερινό σύμπαν, αλλά και το πώς και γιατί θα ξεκινούσε και θα τελείωνε η πληθωριστική διαστολή. Όσο περισσότερο σκέφτεται κανείς το πρόβλημα, τόσο πιο περίπλοκο γίνεται.
Μία πιθανή λύση προέρχεται από την κβαντική βαρύτητα βρόχων, η οποία υποστηρίζει ότι η αρχή και το τέλος του σύμπαντος είναι περίπου συμμετρικά — ένα σενάριο μεγάλης αναπήδησης, όπου το σύμπαν διαστέλλεται, αργότερα συστέλλεται και στη συνέχεια ξαναεκτινάσσεται προς τα έξω.
Μια άλλη λύση είναι η αέναη πληθωριστική διαστολή: αν υπάρχουν περιοχές όπου το σύμπαν συνεχίζει να διογκώνεται εκθετικά για πάντα, δεν χρειάζεται να ανησυχούμε για το πώς θα τελειώσει η διαστολή. Όμως τότε προκύπτει ένα άπειρο φρακταλικό πολυσύμπαν, στο οποίο οι διάφορες περιοχές που διογκώνονται μετατρέπονται σε δικά τους σύμπαντα, τόσο μακριά από το δικό μας ώστε να μην μπορούμε ποτέ να τα προσεγγίσουμε. Αυτό αποτελεί σοβαρό πρόβλημα και σε μεγάλο βαθμό οδήγησε στην απώλεια στήριξης για το συγκεκριμένο μοντέλο. Ένα άπειρο πολυσύμπαν είναι δύσκολα αποδεκτό για πολλούς φυσικούς, επειδή σε μια τέτοια πραγματικότητα όλα όσα μπορούν να συμβούν, θα συμβούν κάπου. Έτσι, οποιαδήποτε, έστω και ελάχιστα πιθανή, πρόβλεψη μέσα σε ένα άπειρο πολυσύμπαν θα ήταν πρακτικά αδύνατο να ελεγχθεί.
Καθώς τα πιο απλά σενάρια απορρίπτονται, εμφανίζονται ολοένα και πιο σύνθετα. Υπάρχει η υβριδική πληθωριστική διαστολή, που εισάγει τουλάχιστον δύο νέα πεδία — όχι πεδία με γρασίδι ή πεδία σπουδών, αλλά πεδία όπως τα ηλεκτρομαγνητικά — τα οποία μεταφέρουν την ενέργεια που χρειάζεται για να ξεκινήσει, να επιβραδυνθεί και να τελειώσει η διαστολή. Υπάρχει και η brane inflation, που προέρχεται από τη θεωρία χορδών και είναι τόσο περίπλοκη ώστε ίσως δεν μπορεί να εξηγηθεί σύντομα, αλλά βασικά προτείνει ότι το σύμπαν μας υπάρχει πάνω σε μια μεμβράνη ανάμεσα σε διαφορετικές διαστάσεις, κάτι που θα μπορούσε να λύσει τα προβλήματα που δημιουργεί η πληθωριστική διαστολή.
Υπάρχει επίσης η ιδέα της τετραγωνικής βαρύτητας, η οποία περιλαμβάνει την τροποποίηση ενός μοντέλου βαρύτητας ώστε να λειτουργεί ακόμα και στις εξαιρετικά υψηλές ενεργειακές πυκνότητες όπου η γενική σχετικότητα τείνει να καταρρέει. Όταν προστεθούν κβαντικές διορθώσεις σε αυτές τις εξισώσεις, προκύπτει η πληθωριστική διαστολή, ενώ η συμπεριφορά που αποδίδουμε στη σχετικότητα αναδύεται από μόνη της καθώς το σύμπαν μεγαλώνει. Με άλλα λόγια, το μοντέλο αυτό ικανοποιεί τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής και ταυτόχρονα ταιριάζει με τις αρχές της γενικής σχετικότητας — δύο εξαιρετικά καλά δοκιμασμένους πυλώνες της φυσικής. Αυτό είναι ένα πολύ καλό ξεκίνημα.
Η κβαντική τετραγωνική βαρύτητα ίσως λύσει το πρόβλημα της πληθωριστικής διαστολής betibup33/Shutterstock
Η κβαντική τετραγωνική βαρύτητα ίσως λύσει το πρόβλημα της πληθωριστικής διαστολής
betibup33/Shutterstock
Το βασικό πρόβλημα με την κβαντική τετραγωνική βαρύτητα είναι ότι υποδηλώνει πως θα έπρεπε να βλέπουμε τεράστια «σωματίδια-φαντάσματα», όμως μέχρι στιγμής δεν έχει βρεθεί κανένα σε πειράματα. Ωστόσο, πρόσφατη εργασία που προτείνει μια νέα προσέγγιση σε αυτή την παράξενη ιδέα δίνει μια πιθανή εξήγηση γι’ αυτό. Τα ευρήματα δείχνουν ότι, καθώς το σύμπαν μεγάλωνε εκθετικά κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής διαστολής, η βαρύτητα δυνάμωνε, κάτι που οδήγησε, όπως το διατύπωσαν οι ερευνητές, στη «συγκράτηση των φαντασμάτων».
Η πληθωριστική διαστολή εξηγημένη και τα φαντάσματα εκτός παιχνιδιού; Είναι μια ελπιδοφόρα ιδέα. Το άλλο πλεονέκτημα της κβαντικής τετραγωνικής βαρύτητας είναι ότι θα πρέπει να συνοδεύεται από κυματισμούς στον χωροχρόνο που δημιουργήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν και, όσο αδύναμα κι αν είναι αυτά τα βαρυτικά κύματα, η επόμενη γενιά ανιχνευτών ίσως μπορέσει να τα εντοπίσει.
Προσωπικά, υποψιάζομαι ότι η πληθωριστική διαστολή θα παραμείνει αμφιλεγόμενη για δεκαετίες ακόμη. Οι μετρήσεις που χρειάζονται για να αποδειχθεί πώς ακριβώς συνέβη είναι απίστευτα ακριβείς. Εκτός από τα εξαιρετικά αδύναμα βαρυτικά κύματα, θα χρειαστούν και πολύ ακριβείς μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, της ακτινοβολίας που έχει αποτυπωθεί σε όλο το σύμπαν από την αυγή του χρόνου. Και μετά υπάρχει η δυσκολία να βεβαιωθούμε ότι έχουμε ερμηνεύσει σωστά τις μετρήσεις όταν τελικά τις αποκτήσουμε.
Έχουμε ξαναπαρερμηνεύσει την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Σήματα που θεωρήθηκαν κάποτε ότι έδειχναν βαρυτικά κύματα από την κοσμική πληθωριστική διαστολή και χαιρετίστηκαν ως ανακάλυψη της δεκαετίας, τελικά αποδείχθηκαν απλώς γαλαξιακή σκόνη. Αυτή η απειροελάχιστη στιγμή της κοσμικής ιστορίας έχει τη δύναμη να ανατρέψει τη φυσική όπως τη γνωρίζουμε, αλλά έχει επίσης τη δύναμη να ενώσει τις δύο καλύτερες θεωρίες που διαθέτουμε για να περιγράψουμε το σύμπαν στο οποίο ζούμε.
Πώς μια κβαντική καινοτομία μπορεί να ακυρώσει την ιδέα του πολυσύμπαντος
