skip to Main Content

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ένα από τα κορυφαία επιστημονικά επιτεύγματα της ανθρώπινης νόησης και ακρογωνιαίος λίθος της σύγχρονης επιστήμης, έδωσε, μαζί με τη Κβαντική Φυσική, το έναυσμα για τη μεγάλη επανάσταση που σημειώθηκε στην εξέλιξη των ιδεών στις φυσικές επιστήμες και συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Οι θεωρίες του Αϊνστάιν διετύπωσαν προβλέψεις και οδήγησαν σε απαντήσεις τόσο συγκλονιστικές και τόσο πέρα από τις καθιερωμένες αντιλήψεις των φυσικών της εποχής που, όταν πρωτοεμφανίστηκαν, ελάχιστοι τις πίστεψαν. Και όμως, έχουν όλες τους επιβεβαιωθεί πειραματικά και όλες τους βασίζονται στο λαμπρό θεωρητικό οικοδόμημα που μας κληροδότησε ο Αϊνστάιν 90 χρόνια πριν. Ανάμεσα στις κορυφαίες θεωρητικές προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας αναμφίβολα συγκαταλέγονται η διαστολή του Σύμπαντος, οι μαύρες τρύπες και η σκοτεινή ενέργεια. Και όμως κάτι λείπει.

Εξακολουθούμε ακόμα να μην κατανοούμε πλήρως τις φυσικές αρχές αυτών ακριβώς των φαινομένων που προέβλεψαν οι θεωρίες του. Έτσι, μια νέα γενιά θεμελιωδών ερωτημάτων ξεπροβάλλει: Τι συμβαίνει στα όρια μιας μαύρης τρύπας; Τι έδωσε το έναυσμα για τη Μεγάλη Έκρηξη; Ποια είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας; Κανείς ακόμα δεν γνωρίζει με βεβαιότητα. Αυτό που είναι βέβαιο είναι ότι για να βρεθούν οι απαντήσεις θα χρειαστεί να προχωρήσουμε πέρα από τον Αϊνστάιν, βασιζόμενοι σε νέες θεωρίες, όπως για παράδειγμα στη θεωρία του Πληθωριστικού Σύμπαντος ή στα νέα δεδομένα που φαίνεται να προκύπτουν από τις θεωρίες των στοιχειωδών σωματιδίων και των υπερυψηλών ενεργειών. Για να καταφέρουμε, με άλλα λόγια, να αποκαλύψουμε το καλά κρυμμένο μονοπάτι που οδηγεί στην Ιθάκη της κοσμολογικής γνώσης θα χρειαστεί μια νέα επιστημονική επανάσταση, η οποία θα ξεκινά από εκεί που μας άφησε ο Αϊνστάιν. Το ερευνητικό πρόγραμμα της NASA «Πέρα από τον Αϊνστάιν» (Beyond Einstein) σχεδιάστηκε με σκοπό να βοηθήσει τους επιστήμονες να κάνουν τα πρώτα τους βήματα σε αυτό το δύσβατο μονοπάτι. Το πρόγραμμα αυτό προτείνει την υλοποίηση μιας σειράς διαστημικών αποστολών βασισμένων στα δύο μεγάλα διαστημικά παρατηρητήρια Constellation-X και LISA, συνεπικουρούμενα από τρεις μικρότερες διαστημοσυσκευές, αποκλειστικά σχεδιασμένες να διερευνήσουν καθένα από τα τρία νέα θεμελιώδη ερωτήματα που ήδη τέθηκαν. Οι προσωρινές ονομασίες των ανιχνευτών αυτών προσδιορίζουν και τα επί μέρους φυσικά φαινόμενα που ο καθένας θα διερευνήσει: Ανιχνευτής Μαύρων Τρυπών (Black Hole Probe), Ανιχνευτής Πληθωρισμού (Inflation Probe) και Ανιχνευτής Σκοτεινής Ενέργειας (Dark Energy Probe). Απώτερος στόχος της επιστημονικής ομάδας που συνέλαβε και συνέταξε αυτό το μεγαλεπήβολο πρόγραμμα διερεύνησης της δημιουργίας του Σύμπαντος και των παράξενων φαινομένων που κρύβει μέσα του είναι η διεύρυνση των επιστημονικών και τεχνολογικών μας γνώσεων σε σημείο που θα μας επιτρέψει εντέλει το σχεδιασμό και τη διοργάνωση δύο ακόμα αποστολών με τελικό όραμα την παρατήρηση της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Observer) και την απευθείας απεικόνιση μιας μαύρης τρύπας (Black Hole Imager).

Βαρυτικά κύματα και μαύρες τρύπες

Η αποκρυπτογράφηση της γέννησης και της εξελικτικής πορείας των άστρων οδήγησε τους επιστήμονες στο συμπέρασμα ότι ο θάνατος των πιο μεγάλων από αυτά οδηγεί στη δημιουργία παράξενων «βαρυτικών ανωμαλιών» στην ίδια την υφή του χωροχρόνου, τις γνωστές σε όλους μας μαύρες τρύπες. Όπως και να τις περιγράψει κάποιος, αχανή βαρυτικά πηγάδια ή αδυσώπητες διαστημικές ρουφήχτρες, η βαρυτική τους έλξη είναι τόσο ισχυρή που, εντός μιας κεντρικής περιοχής που οριοθετεί ο επονομαζόμενος ορίζοντας γεγονότων τους, τίποτα δεν μπορεί να της διαφύγει, ούτε καν και αυτό το φως. Εκτός από αυτές τις αστρικές μαύρες τρύπες, οι πυρήνες των περισσότερων γαλαξιών του Σύμπαντος κρύβουν στο κέντρο τους και κολοσσιαίες μαύρες τρύπες με συνολική μάζα της τάξης εκατομμυρίων και δισεκατομμυρίων ηλίων. Η πανίσχυρη βαρυτική έλξη και των δύο καταπίνει τεράστιες ποσότητες ύλης, η οποία καθώς πλησιάζει το σημείο μη επιστροφής, δηλαδή τον ορίζοντα γεγονότων τους, εκπέμπει υψηλότατης ενέργειας ακτίνες Χ, τις οποίες θα ανιχνεύσει το μεγάλο διαστημικό παρατηρητήριο Constellation-X.

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας όμως προβλέπει και κάτι άλλο. Καθώς πλανήτες, άστρα και άλλα ουράνια σώματα κινούνται μέσα στο χωροχρόνο μεταβάλλουν την καμπυλότητά του και, υπό προϋποθέσεις, μπορούν να προκαλέσουν διακυμάνσεις ή κυματισμούς στην ίδια την υφή του χωροχρόνου, πουδιαδίδονται προς τα έξω, κατά ανάλογο τρόπο με τα κύματα τα οποία δημιουργούνται όταν πετάξουμε ένα βότσαλο σε μια λίμνη. Αυτοί οι κυματισμοί του χωροχρόνου ονομάζονται βαρυτικά κύματα, την ύπαρξη των οποίων προέβλεψε ο Αϊνστάιν, αν και ποτέ δεν πίστεψε ότι θα μπορούσαν να ανιχνευτούν. Διπλά αστρικά συστήματα, συγκρούσεις νετρονίων και συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών στους γαλαξιακούς πυρήνες αποτελούν χαρακτηριστικά παραδείγματα φαινομένων που, όπως πιστεύουν οι επιστήμονες, μπορούν να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα, τα οποία διαδίδονται από το σημείο σχηματισμού τους με ταχύτητα που, απ? ό,τι φαίνεται, είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Αν και τα βαρυτικά κύματα προκαλούνται από ορισμένα από τα πλέον βίαια φαινόμενα του Σύμπαντος, αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη. Τόσο απειροελάχιστη μάλιστα είναι η αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που, εάν περνούσαν από το Ηλιακό μας Σύστημα, θα μετέβαλαν την απόσταση της Γης από τη Σελήνη κατά λιγότερο από τη διάμετρο ενός ατόμου, γεγονός που αποδεικνύει και πόσο δύσκολο είναι να ανιχνευτούν. Και όμως, όσο μικροσκοπική και να είναι αυτή η μεταβολή, η σημερινή τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να τη μετρήσει. Αυτός θα είναι και ο κύριος στόχος της διαστημικής αποστολής LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

Ο εντοπισμός βαρυτικών κυμάτων από διπλά αστρικά συστήματα ή συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και η ανίχνευση της ακτινοβολίας που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες καθώς καταπίνουν τεράστιες ποσότητες ύλης, θα αποτελέσουν τα εργαλεία για τον πλέον ενδελεχή και συνάμα σκληρό έλεγχο των θεωριών του Αϊνστάιν σε ακραίες συνθήκες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αποφανθούν εάν πράγματι οι μαύρες τρύπες είναι έτσι όπως περιγράφονται μέσα από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Τα δύο μεγάλα παρατηρητήρια LISA και Constellation-X, σε συνδυασμό με τον Ανιχνευτή Μαύρων Τρυπών, θα μελετήσουν από κοινού τις μαύρες τρύπες του Σύμπαντος δίνοντάς μας πολύτιμες πληροφορίες που αφορούν στον προσδιορισμό της μάζας τους, στον τρόπο με τον οποίο απελευθερώνουν ενέργεια και στον τρόπο με τον οποίο στρεβλώνουν το χωροχρόνο γύρω τους. Παράλληλα, τα δεδομένα που θα συλλέξουν αναφορικά με τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να αποκαλύψουν το ρόλο που παίζουν στην εξέλιξη των γαλαξιών και της δομής στο Σύμπαν.

Η Μεγάλη Έκρηξη

Βασισμένοι στα θεωρητικά και πειραματικά επιτεύγματα της περασμένης εκατονταετίας, έχουμε ήδη προσδιορίσει πολλές από τις παραμέτρους της γέννησης και της δομής του Σύμπαντος. Μάθαμε έτσι ότι το Σύμπαν γεννήθηκε πριν από 14, περίπου, δισεκατομμύρια χρόνια σε μια Μεγάλη Έκρηξη, η οποία γέννησε τον ίδιο το χώρο και το χρόνο, και έκτοτε διαστέλλεται και ψύχεται συνεχώς. Όμως, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ενώ μπορεί να περιγράψει τη λειτουργία του διαστελλόμενου Σύμπαντος, δεν μπορεί να εξηγήσει τι προκάλεσε τη Μεγάλη Έκρηξη. Πολύ περισσότερο, είναι ήδη γνωστό εδώ και 30 σχεδόν χρόνια ότι η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης ταλανίζεται από θεωρητικά προβλήματα που η ίδια δεν μπορεί να αντιμετωπίσει. Έτσι, οι θεωρητικές μελέτες των επιστημόνων που προσπαθούσαν από τη μια να επιλύσουν αυτά τα προβλήματα και να κατανοήσουν παράλληλα το σχηματισμό δομών μικρής και μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν, οδήγησαν σε μία νέα θεωρία. Σύμφωνα με αυτήν για ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα το πολύ νεαρό Σύμπαν διεστάλη ταχύτατα με εκρηκτικό τρόπο, εξαιτίας μιας άγνωστης μορφής ενέργειας που προκάλεσε ένα είδος κοσμικής βαρυτικής απώθησης και οδήγησε σε μια εκθετικά επιταχυνόμενη διαστολή. Είναι η περίφημη Θεωρία του Πληθωρισμού, η οποία δίνει την εξής απάντηση για το σχηματισμό δομής στο Σύμπαν: Κβαντικές διακυμάνσεις του ενεργειακού πεδίου που προκάλεσε την πληθωριστική διαστολή του Σύμπαντος διογκώθηκαν δημιουργώντας μικρές διακυμάνσεις στην κατανομή και στην πυκνότητα της ύλης, οι οποίες επέτρεψαν εντέλει το σχηματισμό των πρώτων άστρων και γαλαξιών του Σύμπαντος. Σημαντικές ενδείξεις ότι κάτι τέτοιο θα πρέπει τελικά να συνέβη μας παρέχει η μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, αυτό το θερμικό υπόλειμμα του υπέρθερμου παρελθόντος του Σύμπαντος, το οποίο απελευθερώθηκε περίπου 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Και αυτό γιατί οι δορυφόροι COBE και WMAP έχουν ήδη ανιχνεύσει μικροσκοπικές θερμοκρασιακές διακυμάνσεις στην ακτινοβολία υποβάθρου, οι οποίες αποδεικνύουν ότι πολύ νωρίτερα το Σύμπαν, αν και εντυπωσιακά ομοιόμορφο, χαρακτηριζόταν εντούτοις από εξίσου μικρές  διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης, οι οποίες μεγάλωσαν και οδήγησαν, εντέλει, στις γιγάντιες κοσμικές δομές που παρατηρούμε σήμερα. Πέρασε όντως το Σύμπαν από μια εποχή πληθωρισμού και εάν ναι σε ποιο φυσικό μηχανισμό οφείλεται; Απ? ό,τι φαίνεται υπάρχει τώρα ένας τρόπος να βρούμε τις απαντήσεις. Θεωρητικές μελέτες προβλέπουν ότι εκτός από τις παραπάνω διακυμάνσεις «γεννήθηκαν» στη διάρκεια της πληθωριστικής εποχής και βαρυτικά κύματα, τα οποία θα πρέπει να έχουν αφήσει τα ίχνη τους στην ακτινοβολία του υποβάθρου. Το ερευνητικό πρόγραμμα «Πέρα από τον Αϊνστάιν» προτείνει την κατασκευή μιας διαστημοσυσκευής με το προσωρινό όνομα Ανιχνευτής Πληθωρισμού που θα προσπαθήσει να ανιχνεύσει τα αμυδρά και δυσδιάκριτα αποτυπώματα, που άφησαν στην κοσμική ακτινοβολία του υποβάθρου τα βαρυτικά κύματα του αρχέγονου Σύμπαντος. Τα δεδομένα που θα συλλέξει ο Ανιχνευτής Πληθωρισμού θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να ελέγξουν τις διαφορετικές πληθωριστικές θεωρίες που περιγράφουν την εξέλιξη του πολύ νεαρού Σύμπαντος, όπως επίσης και του σχηματισμού της δομής του σε μεγάλες κλίμακες, μελετώντας φυσικά φαινόμενα που εξελίσσονται σε ενέργειες, τις οποίες κανένας επιταχυντής στη Γη δεν μπορεί να φτάσει.

Σκοτεινή Ενέργεια

Μία από τις πιο εντυπωσιακές ομολογουμένως ανακαλύψεις κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ΄90 ήταν η διαπίστωση από τους επιστήμονες ότι η διαστολή του Σύμπαντος δεν επιβραδύνεται, όπως νόμιζαν μέχρι τότε, αλλά αντίθετα επιταχύνεται συνεχώς. Η διαπίστωση αυτή οδήγησε σε μια ριζική αναθεώρηση των ιδεών τους αναφορικά με την κατανομή του συνολικού αποθέματος μάζας και ενέργειας στο Σύμπαν. Γνωρίζουμε πλέον, ότι όλα όσα βλέπουμε δεν αποτελούν παρά μόλις το 5% της συνολικής μάζας και ενέργειας που εμπεριέχει. Εάν εξαιρέσουμε ένα ακόμα 25%, το οποίο αντιστοιχεί σε μιας άγνωστης μορφής σκοτεινή ύλη, προκύπτει ότι το Σύμπαν ολόκληρο φαίνεται να εμπεριέχει μια παράξενη και άγνωστη μορφή ενέργειας, που μοιάζει με βαρυτική απώθηση και που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του. Σήμερα, δέκα περίπου χρόνια αργότερα, η φύση αυτής της σκοτεινής ενέργειας, όπως ονομάζεται, εξακολουθεί να παραμένει άγνωστη. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι όταν ο Αϊνστάιν διετύπωσε τις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας πίστευε ότι το Σύμπαν είναι στατικό. Και όμως η επίλυση των εξισώσεών του οδηγούσε σε δυναμικά σύμπαντα, τα οποία είτε διαστέλλονταν είτε συρρικνώνονταν. Πιστεύοντας ακράδαντα σε ένα στατικό σύμπαν, ο Αϊνστάιν προσπάθησε «τεχνητά» να «ακυρώσει» τις δυναμικές λύσεις των εξισώσεών του εισάγοντας σε αυτές έναν ακόμα όρο, γνωστό ως κοσμολογική σταθερά. Η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν αντιπροσώπευε μια μορφή ενέργειας διαποτισμένης σε όλο το χώρο, η οποία είχε την παράξενη ιδιότητα να αντιστέκεται στη δύναμη της βαρύτητας ακριβώς κατά τέτοιον τρόπο, ώστε να οδηγεί σε ένα στατικό σύμπαν. Φυσικά, όταν ο Hubble λίγα χρόνια αργότερα απέδειξε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, ο Αϊνστάιν αναγκάστηκε να δηλώσει ότι η κοσμολογική σταθερά ήταν το μεγαλύτερο σφάλμα της ζωής του. Με την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος που προκαλεί η παρουσία της σκοτεινής ενέργειας, το ενδιαφέρον για την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν αναθερμάνθηκε. Και όμως εξακολουθούμε να αγνοούμε ποια είναι η φύση της ή εάν παραμένει σταθερή στο χρόνο. Αγνοούμε ακόμα εάν η σκοτεινή ενέργεια σχετίζεται και με την κολοσσιαία επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος στη διάρκεια της εποχής του Πληθωρισμού. Ο Ανιχνευτής Σκοτεινής Ενέργειας θα προσδιορίσει το ποσοστό της σκοτεινής ενέργειας του Σύμπαντος με ακρίβεια και σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα άλλων διαστημοσυσκευών θα προσδιορίσει τη γεωμετρία του. Εάν ο Ανιχνευτής Σκοτεινής Ενέργειας αποδείξει ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είναι σταθερή στο χρόνο θα μας έχει δώσει ένα ανεκτίμητης αξίας στοιχείο στην προσπάθεια των επιστημόνων να ενοποιήσουν την Κβαντική Φυσική και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Εάν όμως ανακαλύψει ότι μεταβάλλεται, αυτό, ίσως να οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας κάπου καταρρέει.

Στα 300 τελευταία χρόνια πολλοί επιστήμονες, φιλόσοφοι και λόγιοι είχαν κατά καιρούς αποφανθεί ότι «το τέλος της φυσικής» πλησίαζε και ότι σύντομα θα αποκαλύπταμε τους φυσικούς νόμους που διέπουν τη λειτουργία του Σύμπαντος σε όλο τους το μεγαλείο. Και όμως κάθε φορά μια νέα επιστημονική επανάσταση τους διέψευδε, ανοίγοντας καινούριους ορίζοντες προς διερεύνηση. Προφανώς είχε δίκιο, εντέλει, ο μεγάλος προσωκρατικός φιλόσοφος Ηράκλειτος όταν έλεγε ότι η φύσις κρύπτεσθαι φιλεί.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back To Top