Πολλά εκπαιδευτικά συγγράμματα και καθηγητές φυσικών επιστημών έχουν προσπαθήσει να περιγράψουν το Big Bang ως τη γέννηση του Σύμπαντος, μια εκρηκτική εκκίνηση που συνέβη σε ένα συγκεκριμένο σημείο δημιουργώντας ύλη και εκτοξεύοντάς την στο κενό σαν θραύσματα από χειροβομβίδα.
Ωστόσο, το Big Bang δεν είναι στην πραγματικότητα η στιγμή της δημιουργίας αλλά μάλλον το επακόλουθό της. Το Big Bang δεν προέκυψε από μια συγκεκριμένη θέση στο Διάστημα και δεν ήταν έκρηξη, τουλάχιστον όχι με την παραδοσιακή έννοια. Απλά οι κοσμολόγοι υιοθέτησαν μια μάλλον ατυχή ονομασία για την πιο δημοφιλή θεωρία.
«Λέγεται συχνά ότι ολόκληρο το Σύμπαν που μπορούμε τώρα να παρατηρήσουμε ήταν κάποτε συμπιεσμένο σε έναν όγκο στο μέγεθος μιας μπάλας του γκολφ», έγραψε ο John Mather, νομπελίστας αστροφυσικός και ανώτερος επιστήμονας του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb της NASA. «Αλλά θα πρέπει να φανταστούμε ότι η μπάλα του γκολφ είναι μόνο ένα μικροσκοπικό κομμάτι ενός Σύμπαντος που ήταν άπειρο ακόμη και τότε».
Η θεωρία του Big Bang περιγράφει ένα γεγονός κατά το οποίο ο υπάρχων χώρος – πολύ θερμότερος, πυκνότερος και μικρότερος εκείνη την εποχή – άρχισε ξαφνικά και γρήγορα να απλώνεται. Το αρχέγονο Σύμπαν ήταν μια καυτή μίξη μικροσκοπικών σωματιδίων, φωτός και ενέργειας, αλλά καθώς επεκτεινόταν, ο χώρος ψύχθηκε αρκετά ώστε να μπορέσουν να συμβούν σημαντικές διεργασίες, όπως ο σχηματισμός ατόμων και στοιχείων. Η διαστολή συνεχίζεται και σήμερα.
Αυτό είναι όλο. Δεν υποδηλώνει ποιες ήταν οι συνθήκες πριν από τη διαστολή, δεν υποθέτει σε τι διατείνεται το Σύμπαν, δεν εξηγεί καν τι προκάλεσε τη διαστολή εξ αρχής. Και υπάρχουν λόγοι για τους οποίους η προσπάθεια να φανταστεί κανείς το γεγονός ως έκρηξη μπορεί να οδηγήσει σε κάποια λανθασμένα συμπεράσματα.
«Κανένας αξιόπιστος επιστήμονας δεν θα ισχυριστεί ότι καταλαβαίνουμε με κάθε λεπτομέρεια τι συνέβη την ακριβή στιγμή που ξεκίνησε το Σύμπαν. Απλώς δεν το ξέρουμε», δήλωσε ο, ανώτερος επιστήμονας στο Fermilab στο Ιλινόις. «Παρά το γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε τα πάντα για το πώς ξεκίνησε το Σύμπαν, μένω συνεχώς έκπληκτος από το γεγονός ότι γνωρίζουμε τόσα πολλά».
Ο καλύτερος τρόπος να μάθεις για το Big Bang μέσα από ένα animation video
Για να κατανοήσουμε το Big Bang και το προηγούμενο σχόλιο του Mather, είναι πρώτα σημαντικό να διευκρινίσουμε ότι η θεωρία αυτή ισχύει για το ορατό Σύμπαν και όχι για το Σύμπαν στο σύνολό του. Το ορατό Σύμπαν είναι μια φυσαλίδα του Σύμπαντος με κέντρο την προοπτική μας από τη Γη, με ακτίνα που καθορίζεται από την ταχύτητα του φωτός. Ολόκληρη η φούσκα έχει πλάτος περίπου 92 δισεκατομμύρια έτη φωτός.
Το μέγεθος της φυσαλίδας δεν καθορίζεται από την εμβέλεια των τηλεσκοπίων, αλλά από τον κυριολεκτικό περιορισμό του φωτός. Υπάρχει μια μέγιστη απόσταση από την οποία τα φωτόνια θα μπορούσαν να έχουν ταξιδέψει σε έναν παρατηρητή στην εποχή του Σύμπαντος. Αυτό το όριο είναι γνωστό ως κοσμικός ορίζοντας φωτός: Οποιαδήποτε πιθανά σήματα πέρα από αυτόν δεν έχουν προλάβει να φτάσουν σε εμάς – και δεν θα προλάβουν ποτέ, ούτε καν δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον. Αυτό συμβαίνει επειδή σε μια ορισμένη ακραία απόσταση, τα μακρινά αντικείμενα απομακρύνονται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.
Τι υπάρχει λοιπόν πέρα από αυτή τη φούσκα; Κανείς δεν ξέρει γιατί είναι αόρατο, αλλά οι επιστήμονες θα μπορούσαν να υποθέσουν ότι υπάρχει κι άλλο Σύμπαν. Εξάλλου, με τη διαστολή του διαστήματος, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι, κάθε δευτερόλεπτο, χιλιάδες αστέρια ξεφεύγουν από τη θέα μας, πέρα από αυτόν τον ορίζοντα.
Το Big Bang θα πρέπει να θεωρηθεί ως ένα «σημείο» στο χρόνο, αλλά όχι ως γεγονός που συνέβη σε ένα συγκεκριμένο μέρος. Οι αστρονόμοι συχνά λένε ότι το Big Bang συνέβη παντού, πράγμα που είναι μια μπερδεμένη ιδέα αν έχετε σκεφτεί το Big Bang σαν μια βόμβα που εκρήγνυται.
Φανταστείτε αντ’ αυτού ένα υποθετικό σενάριο όπου ο χώρος συμπυκνώθηκε μέσα σε ένα σημείο, όπως ένα μπαλόνι σε μέγεθος κεφαλής καρφίτσας. Στη συνέχεια φανταστείτε ότι αυτό το μικροσκοπικό μπαλόνι διογκώθηκε με κάποιο τρόπο στο μέγεθος ενός πορτοκαλιού. Με αυτή την αναλογία, μπορείτε να αρχίσετε να καταλαβαίνετε γιατί δεν υπάρχει «σημείο προέλευσης» για το Big Bang: Τίποτα δεν έφυγε από το κεφάλι της καρφίτσας από εκεί που ξεκίνησε, απλά το σημείο του κεφαλιού της καρφίτσας μεγάλωσε εκθετικά.
Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους πολλοί αστροφυσικοί λένε ότι οπουδήποτε στο γνωστό Σύμπαν θα μπορούσε να θεωρηθεί μέρος του κέντρου του Big Bang. Δεν υπήρχε κάποιο συγκεκριμένο σημείο από το οποίο απομακρύνθηκαν κομμάτια, σύμφωνα με τη θεωρία.
Οι επιστημονικές παρατηρήσεις υποστηρίζουν την ιδέα της ταχείας συμπαντικής διαστολής έναντι της έκρηξης. Αν είχε γίνει μια έκρηξη τύπου πυροτεχνήματος που σκόρπισε την ύλη προς τα έξω, για παράδειγμα, οι νόμοι της Φυσικής θα υπαγόρευαν ότι τα συντρίμμια που βρίσκονται πιο μακριά από το σημείο όπου εξερράγη θα κινούνταν ταχύτερα από τα πράγματα που βρίσκονται πιο κοντά στο σημείο εκκίνησης.
«Αυτό συμβαίνει επειδή τα αντικείμενα που βρίσκονται μακριά από το πυροτέχνημα πρέπει να κινούνται ταχύτερα. Έτσι απομακρύνθηκαν», δήλωσε ο Lincoln.
Αλλά αυτό δεν είναι αυτό που βλέπουν οι αστρονόμοι. Στο Σύμπαν, ο χώρος μεταξύ των γαλαξιών αυξάνεται, προς όλες τις κατευθύνσεις – όχι μόνο σε σχέση με ένα κεντρικό σημείο. Ο αστρονόμος Edwin Hubble, από τον οποίο αργότερα πήρε το όνομά του το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το ανακάλυψε αυτό το 1929.
Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Hooker 100 ιντσών στην Καλιφόρνια, ο Hubble παρατήρησε ότι όσο πιο μακριά βρισκόταν ένας γαλαξίας από τον Γαλαξία μας, τόσο πιο γρήγορα φαινόταν να απομακρύνεται. Το κατάλαβε αυτό σχεδιάζοντας τις ταχύτητες και τις αποστάσεις 24 κοντινών γαλαξιών. Το διάγραμμα έδειξε ότι όλα απομακρύνονταν ομοιόμορφα, με ταχύτητες ανάλογες της απόστασης, προς όλες τις κατευθύνσεις.
Ο ρυθμός διαστολής ονομάστηκε σταθερά Hubble. Δύο χρόνια μετά τις παρατηρήσεις του Hubble, ένας Βέλγος αστρονόμος και ιερέας, ο Georges Lemaître, χρησιμοποίησε αυτή την παραδοχή για να δημοσιεύσει την πρώτη θεωρία τύπου Big Bang που εξηγούσε την αρχή του Σύμπαντος.
Με τη διαπίστωση του Hubble ότι το ίδιο το Διάστημα διαστέλλεται, οι επιστήμονες μπόρεσαν να εκτιμήσουν την ηλικία του Σύμπαντος. Ο τύπος για την ταχύτητα είναι η απόσταση διαιρούμενη με το χρόνο. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ήδη τις ταχύτητες των γαλαξιών και τις αποστάσεις τους, οπότε μπορούν να υπολογίσουν τη διάρκεια διαιρώντας την απόσταση με την ταχύτητα.
Αν οι επιστήμονες γυρίσουν το ρολόι πίσω από τη σημερινή ημέρα μέχρι τη στιγμή που τα πάντα στο γνωστά Σύμπαν συμπιέζονται πίσω σε εκείνο το μικρό ξεφουσκωμένο μπαλόνι, αυτό συνέβη πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η NASA φαίνεται ότι «είδε» την ισχυρότερη έκρηξη μετά το Big Bang!
Έτσι, αν το Σύμπαν έχει ηλικία 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, θα μπορούσε κανείς να υποθέσει εσφαλμένα ότι η ορατή φούσκα του Σύμπαντος έχει ακτίνα 13,8 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, με συνολικό πλάτος 27,6 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Αλλά το Σύμπαν δεν είναι ακίνητο και η απόσταση μεταξύ των αντικειμένων δεν είναι σταθερή. Η διαστολή του διαστήματος εξηγεί την ασυμφωνία μεταξύ 27,6 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και 92 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, τη διάμετρο του ορατού Σύμπαντος.
Οι επιστήμονες δεν έχουν διαψεύσει τη θεωρία του Big Bang, αλλά έχουν ανακαλύψει διαφωνίες στο ρυθμό διαστολής (τη σταθερά Hubble) από τις μετρήσεις διαφορετικών ερευνητικών ομάδων. Η διαφωνία αυτή είναι γνωστή ως ένταση Hubble.
Εν συντομία, οι μετρήσεις της ταχύτητας που βασίζονται σε παρατηρήσεις του σημερινού Σύμπαντος με τηλεσκόπια είναι κάπως υψηλότερες από τις προβλέψεις που βασίζονται στις γνωστές συνθήκες του Σύμπαντος κατά τη διάρκεια της βρεφικής του ηλικίας. Τα τελευταία χρόνια, οι αστρονόμοι θεωρούν ότι κάτι προκαλεί την επιτάχυνση του ρυθμού διαστολής. Μελέτες με τη χρήση του τηλεσκοπίου James Webb διαπίστωσαν ότι η μικρή αλλά σημαντική απόκλιση στον ρυθμό διαστολής δεν είναι πιθανότατα αποτέλεσμα λανθασμένων υπολογισμών αλλά μια πτυχή του Σύμπαντος που δεν έχει γίνει ακόμη κατανοητή.
Καθώς οι επιστήμονες εργάζονται για την επίλυση αυτού του μυστηρίου, το Big Bang μπορεί να χρειαστεί κάποια διόρθωση, αλλά μέχρι στιγμής αυτή η διαφορά δεν έχει ανατρέψει την ουσία, η οποία είναι ότι το Διάστημα ήταν κάποτε μικρότερο και θερμότερο, στη συνέχεια ξαφνικά απλώθηκε και εξακολουθεί να διαστέλλεται.
Οι ερευνητές υπολόγισαν τον ρυθμό διαστολής του βρεφικού Σύμπαντος χρησιμοποιώντας δεδομένα από το λεγόμενο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων. Οι Αμερικανοί Φυσικοί Arno Penzias και Robert Wilson ανακάλυψαν τυχαία αυτό το φαινόμενο, μια αμυδρή μεταλαμπή από 380.000 χρόνια μετά το Big Bang, χρησιμοποιώντας ένα ραδιοτηλεσκόπιο το 1965.
Περίπου την ίδια εποχή, μια ξεχωριστή ομάδα στο Πανεπιστήμιο Princeton είχε προβλέψει ότι τέτοια κύματα θα έπρεπε να υπάρχουν. Αν οι αστρονόμοι ήταν αρχαιολόγοι, η ανακάλυψη αυτή θα ήταν κάτι σαν την εύρεση του αρχαιότερου απολιθώματος του φωτός. Είναι το αρχαιότερο πράγμα στο Σύμπαν που έχει δει κανείς.
Αυτή η θερμική υπογραφή, που εκπέμπεται από άτομα που απέχουν πλέον περισσότερα από 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός και απλώνεται σε μικροκύματα, γεμίζει τον ουρανό. Η αποστολή Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) χαρτογράφησε τα μικροκύματα για να μετρήσει μικροσκοπικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Αυτές οι μικρές διακυμάνσεις επιτρέπουν στους επιστήμονες να συμπεράνουν το ρυθμό διαστολής εκείνη την εποχή.
Ο κοσμικός πληθωρισμός προσπαθεί να περιγράψει μια σύντομη αλλά κρίσιμη φάση στην αφήγηση του Big Bang, η οποία εκτόξευσε το Σύμπαν στο χρονοδιάγραμμα της διαστολής του.
Ο Alan Guth, Θεωρητικός Φυσικός στο MIT, διατύπωσε την ιδέα το 1980. Υποστηρίζει ότι κάποια απωθητική μορφή βαρύτητας, κάτι σαν τη Σκοτεινή Ενέργεια, οδήγησε την ταχεία διαστολή του Σύμπαντος για μια πρώιμη στιγμή. Αυτή η φάση θα διήρκεσε για ένα κλάσμα του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Στη συνέχεια, η ενέργεια που ωθούσε τον πληθωρισμό απενεργοποιήθηκε.
«Συνήθως περιγράφω τον πληθωρισμό ως μια θεωρία του “μπαμ” του Big Bang», δήλωσε ο Guth σε ερωτήσεις και απαντήσεις του πανεπιστημίου το 2014. «Στην αρχική της μορφή, η θεωρία του Big Bang δεν ήταν ποτέ μια θεωρία της έκρηξης. Δεν έλεγε τίποτα για το τι χτύπησε, γιατί χτύπησε ή τι συνέβη πριν από το χτύπημα».
Κατά τη φάση του πληθωρισμού, το μικροσκοπικό Σύμπαν θα είχε διασταλεί με ρυθμό ταχύτερο από αυτόν του φωτός και μάλιστα χωρίς να παραβιάσει κανέναν νόμο της Φυσικής.
«Είναι αλήθεια ότι τίποτα δεν μπορεί να κινηθεί στο χώρο πιο γρήγορα από το φως, αλλά δεν υπάρχουν περιορισμοί στο πόσο γρήγορα μπορεί να διασταλεί ο χώρος», δήλωσε ο Lincoln.
*Βασισμένο στο εξαιρετικό άρθρο της Elisha Sauers.
