Γιατί υπάρχει το σύμπαν;

Όπως έγραψε κάποτε ο Douglas Adams : “Το σύμπαν είναι μεγάλο, πραγματικά πολύ μεγάλο.”  Και όμως, εάν η θεωρία μας για το big bang είναι σωστή, το σύμπαν ήταν κάποτε πολύ μικρότερο.
Πράγματι, κάποτε ήταν μικρότερο κι από ένα σημείο. Περίπου πριν 13,7 δισεκατομμύρια έτη χρόνο ξεπήδησε αυθόρμητα και ο χώρος από το κενό. Πώς έγινε αυτό;
Ή για να το θέσουμε διαφορετικά: γιατί υπάρχει κάτι αντί για τίποτα; Είναι ένα μεγάλο ερώτημα, ίσως το μεγαλύτερο. Η ιδέα ότι το σύμπαν απλά εμφανίστηκε από το τίποτα είναι αρκετά δύσκολη, η προσπάθεια να συλλάβουμε το τίποτα είναι ίσως ακόμα πιο δύσκολο.
Είναι, επίσης, λογικό να ζητήσουμε την επιστημονική άποψη για αυτό το ζήτημα. Πάντως κάποια βασική φυσική δείχνει ότι εσείς και το υπόλοιπο σύμπαν είναι συντριπτικά πιθανό να υπάρχει. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, που είναι από τους πλέον βασικούς φυσικούς νόμους, λέει ότι η αταξία, με λίγα λόγια  η εντροπία, τείνει πάντα να αυξηθεί. Η εντροπία μετρά τον αριθμό των τρόπων που μπορούμε να επαναδιευθετήσουμε τα συστατικά ενός συστήματος χωρίς να αλλάξει συνολικά η εμφάνισή του. Τα μόρια σε ένα θερμό αέριο, για παράδειγμα, μπορούν να οργανωθούν με πολλούς διαφορετικούς τρόπους για να δημιουργήσουν την ίδια συνολική θερμοκρασία και πίεση, κάνοντας το αέριο ένα σύστημα με υψηλή εντροπία. Αντίθετα, δεν μπορούμε να αλλάξουμε πάρα πολύ τη διάταξη των μορίων σε ένα ζωντανό οργανισμό, χωρίς να το μετατρέψουμε σε ένα μη ζωντανό αντικείμενο, γι’ αυτό και είστε ένα σύστημα με χαμηλή εντροπία.
Με την ίδια λογική, η ανυπαρξία ή το τίποτα είναι η κατάσταση με την υψηλότερη εντροπία γύρω μας – μπορείτε να την ‘ανακατέψετε’  όσα θέλετε και να φαίνεται ακόμα σαν το κενό.
Λόγω αυτού του νόμου, είναι δύσκολο να δούμε πώς το τίποτα θα μπορούσε ποτέ να μετατραπεί σε κάτι πραγματικό, πόσο μάλλον σε κάτι τόσο μεγάλο όσο το σύμπαν. Όμως η εντροπία είναι μόνο μέρος της ιστορίας μας. Το άλλο ζήτημα είναι η συμμετρία – μια ποιότητα που φαίνεται να ασκεί βαθιά επίδραση στο φυσικό σύμπαν, όπου αυτή έρχεται στο προσκήνιο. “Η ανυπαρξία είναι όντως κάτι πολύ συμμετρικό αφού δεν υπάρχει τίποτα εκεί μέσα,” λέει ο φυσικός Frank Wilczek του MIT.
Και όπως έχουν μάθει οι φυσικοί κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, οι συμμετρίες μπορούν να σπάνε.Η ειδικότητα του Wilczek είναι η κβαντική χρωμοδυναμική, η θεωρία που περιγράφει πώς συμπεριφέρονται τα κουάρκ βαθιά μέσα στους ατομικούς πυρήνες. Αυτή μας λέει λοιπόν ότι το τίποτα (το κενό) είναι μια αβέβαιη κατάσταση. “Μπορείτε να σχηματίσετε μια κατάσταση που δεν έχει κανένα κουάρκ και αντικουάρκ σε αυτήν, και να είναι εντελώς ασταθής”, λέει ο Wilczek. “Αυτή η κατάσταση του κενού (της ανυπαρξίας δηλαδή) αυθόρμητα παράγει ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ.” Και τότε η τέλεια συμμετρία του κενού έχει σπάσει. Αυτό μας οδηγεί σε ένα απροσδόκητο συμπέρασμα, λέει ο Victor Stenger, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο: εις πείσμα της εντροπίας, “κάτι που είναι μια πιο φυσική κατάσταση από ότι το τίποτα”.
“Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, δεν υπάρχει αληθινή κατάσταση «κενού»,” συμφωνεί ο Frank Close του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης. Το πραγματικό κενό θα είχε ακριβώς μηδενική ενέργεια, μια τιμή μεγάλης ακριβείας για τον αβέβαιο κβαντικό κόσμο. Αντίθετα, ένα κενό είναι στην πράξη γεμάτο με ένα θολό ζωμό από εικονικά σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται ξαφνικά. Υπό αυτή την έννοια εσείς, εγώ, το φεγγάρι και οτιδήποτε άλλο στο σύμπαν μας είναι ακριβώς διεγέρσεις του κβαντικού κενού.
Πριν από το Big Bang
Μήπως κάποιος παρόμοιος υπολογισμός ισχύει και για την προέλευση του ίδιου του σύμπαντος; Πολύ εύλογο, τονίζει ο Wilczek. “Δεν υπάρχει κανένα εμπόδιο ανάμεσα στο κενό και σε ένα πλούσιο σύμπαν γεμάτο από ύλη,” συνεχίζει. Ίσως το Big Bang ήρθε φυσικά απλώς από το τίποτα .
Αυτό, φυσικά, θέτει το ερώτημα του τι υπήρχε πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, και πόσο διήρκησε. Δυστυχώς σε αυτό το σημείο οι βασικές ιδέες αρχίζουν να μας απογοητεύουν. Η έννοια “πριν” δεν έχει κανένα νόημα. Σύμφωνα με τα λόγια του Stephen Hawking, είναι σαν να ζητάμε τι υπάρχει βόρεια του Βόρειου Πόλου.
Ακόμα κι έτσι, υπάρχει ένα γεγονός που μας αναστατώνει περισσότερο από την ιδέα ότι κάτι μπορεί να έρθει από το τίποτα, ίσως το τίποτα από μόνο του δεν μπορεί να υπάρξει.
Εδώ είναι το γιατί. Η κβαντική αβεβαιότητα επιτρέπει ένα συμβιβασμό μεταξύ του χρόνου και της ενέργειας, οπότε κάτι που διαρκεί για μεγάλο χρονικό διάστημα πρέπει να έχει λίγη ενέργεια. Για να εξηγήσουμε πώς το σύμπαν μας έχει διαρκέσει επί δισεκατομμύρια χρόνια, στην διάρκεια των οποίων σχηματίστηκαν γαλαξίες, ηλιακά συστήματα και έγινε η εξέλιξη της ζωή,, η συνολική ενέργεια του σύμπαντος πρέπει να είναι εξαιρετικά χαμηλή.
Αυτό ταιριάζει με τη γενικά αποδεκτή άποψη για τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, η οποία βλέπει τον χωροχρόνο να υποβάλλεται σε μια σύντομη και υπερ-ταχύτατη διαστολή αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η περίοδος, γνωστή ως πληθωρισμός, πλημμύρισε το σύμπαν με ενέργεια. Αλλά σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας περισσότερος χωροχρόνος σημαίνει επίσης και περισσότερη βαρύτητα. Η έλξη της βαρύτητας αντιπροσωπεύει την αρνητική ενέργεια που μπορεί να ακυρώσει τη θετική ενέργεια του πληθωρισμού – στην ουσία κατασκευάστηκε ένα σύμπαν από το τίποτα. «Μου αρέσει να λέω ότι το σύμπαν είναι το απόλυτο δωρεάν γεύμα», λέει ο Alan Guth, ο κοσμολόγος στο ΜΙΤ, που έφερε τη θεωρία του πληθωρισμού πριν από 30 χρόνια.
Οι φυσικοί συνηθίζουν να ανησυχούν για το ότι η δημιουργία κάποιου πράγματος από το τίποτα δεν θα παραβιάζει όλα τα είδη των φυσικών νόμων, όπως η διατήρηση της ενέργειας. Αλλά αν διατηρείται η μηδενική  συνολική ενέργεια του σύμπαντος το πρόβλημα  εξαφανίζεται – και ένα σύμπαν που απλά ξεπήδησε από το τίποτα γίνεται όχι μόνο εύλογο, αλλά πιθανό. “Ίσως ένας καλύτερος τρόπος για να το πούμε είναι ότι το κάτι δεν είναι τίποτα”, λέει ο Guth.
Τίποτα από αυτά ωστόσο δεν αλλάζει την πραγματικότητα. Η κατανόησή μας για τη δημιουργία στηρίζεται στην ισχύ των νόμων της φυσικής, ιδιαίτερα της κβαντικής αβεβαιότητας. Αλλά αυτό σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής ήταν κατά κάποιο τρόπο κωδικοποιημένοι μέσα στον ιστό του σύμπαντος προτού αυτό υπήρξε. Πώς μπορούν οι φυσικοί νόμοι να υπάρχουν έξω από το χώρο και το χρόνο και δίχως να υπάρχει μια αιτία για την ύπαρξη τους; Ή, για να το θέσουμε αλλιώς, γιατί υπάρχει κάτι περισσότερο από το τίποτα εκεί έξω;

physics4u.gr