Η Ηλικία του Σύμπαντος

Transcript

1 Η Ηλικία του Σύμπαντος Δρ Μάνος Δανέζης Επίκουρος Καθηγητής Αστροφυσικής Ένα από τα πιο βασικά κοσμολογικά θέματα που μένουν ανοικτά και ζητούν απάντηση είναι το πρόβλημα της ηλικίας του Σύμπαντος. Έχει όμως λογική έννοια ένα τέτοιο ερώτημα; Σύμφωνα με τις πιο σύγχρονες επιστημονικές απόψεις, όταν αυξάνεται η ακτίνα του Σύμπαντος, αντίστοιχα μεταβάλλεται η καμπυλότητα του χώρου και η πυκνότητα της ύλης του. Το γεγονός αυτό όμως, σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, σημαίνει όμως ότι μεταβάλλεται και η διάρκεια αυτής της ποσότητας που σήμερα ονομάζουμε δευτερόλεπτο χρόνου. Δηλαδή η διάρκεια του δευτερολέπτου κατά τις διάφορες περιόδους της ζωής του Σύμπαντος διαρκούσε λιγότερο ή περισσότερο ανάλογα με την πυκνότητα και την καμπυλότητά του. Ως παράδειγμα αναφέρουμε ότι σήμερα δεχόμαστε πως κατά τις πρώτες στιγμές της ζωής του Σύμπαντος, όταν δηλαδή η πυκνότητα της ύλης του αλλά και η καμπυλότητά του ήταν άπειρη, η διάρκεια ενός δευτερολέπτου χρόνου ήταν άπειρη. Από εκεί και πέρα, καθώς η πυκνότητα του Σύμπαντος συνεχώς μίκραινε, συγχρόνως μίκραινε και η διάρκεια του δευτερολέπτου. Τι εννοούμε λοιπόν όταν αναφερόμαστε στην ηλικία του Σύμπαντος; Ουσιαστικά, σχεδόν τίποτα, αφού η ηλικία αυτή είναι ένα άθροισμα δευτερολέπτων χρόνου ανόμοιας διάρκειας! Προκειμένου να καταλήξουμε σε μια κατ επίφαση μέτρηση της ηλικίας του Σύμπαντος δεχτήκαμε μια επιστημονική σοφιστεία η οποία πηγάζει από μια φιλοσοφική άποψη, που ονομάζεται Οπερασιοναλισμός, η οποία δέχεται ότι αφού το μέγεθος της μεζούρας που μετράμε τον χρόνο μεγαλώνει ανάλογα με τον χρόνο, τότε μπορούμε να αθροίζουμε άνισα δευτερόλεπτα. Για να καταλάβουμε τη σοφιστεία αυτή ας δούμε ένα παράδειγμα. Έστω ότι έχω ένα τραπέζι. Μετρώ το μήκος του και το βρίσκω 10 μέτρα. Τώρα παίρνω ένα δεύτερο τραπέζι διπλάσιου μήκους. Αν το τραπέζι αυτό το μετρήσω με μια μεζούρα διπλάσιου μήκους από την προηγούμενη, δηλαδή με μια μεζούρα δύο μέτρων, και ονομάσω ταυτόχρονα τη νέα αυτή μεζούρα πάλι μέτρο, θα βρω ότι το μήκος του τραπεζιού παραμένει πάλι 10 μέτρα. Η μέτρηση λοιπόν της λεγόμενης ηλικίας του Σύμπαντος μόνο φιλοσοφική σημασία μπορεί να έχει. Αυτό γίνεται για να επιβεβαιωθούν 1

2 πλαστά δύο ανθρώπινα δόγματα του δυτικού πολιτισμού σε επιστημονικό και θεολογικό επίπεδο. Πρώτον: Σε επιστημονικό επίπεδο έπρεπε να επιβεβαιωθεί το ότι η Νευτώνεια Φυσική και η Ευκλείδεια Γεωμετρία συνεχίζουν να κυριαρχούν στο επίπεδο της ερμηνείας των μεγάλων κοσμικών δομών και ως εκ τούτου μπορούμε να καταλήξουμε σε κάποια μέτρηση. Δεύτερον: Σε θεολογικό επίπεδο θα έπρεπε να στηριχθούν επιστημονικά και να επιβεβαιωθούν τα θεολογικά δόγματα που θέλουν το Σύμπαν να γεννήθηκε κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, άρα θα πρέπει να έχει και μια συγκεκριμένη ηλικία. Παρ όλα τα προηγούμενα όμως, ας δούμε πως η δυτική οπερασιοναλιστική σκέψη, μετρά αλλά και χρησιμοποιεί τη μέτρηση της ηλικίας του Σύμπαντος. Mία ένδειξη της αλήθειας της Θεωρίας της Mεγάλης Έκρηξης αποτελεί, για πολλούς ερευνητές, το γεγονός ότι μετρώντας την ηλικία του Σύμπαντος, με διάφορες και ανεξάρτητες μεθόδους, καταλήγουμε στις ίδιες περίπου τιμές Οι τιμές αυτές κυμαίνονται μεταξύ 10 και 20 δισεκατομμυρίων ετών. Mε βάση αυτή τη λογική, αν το Σύμπαν δεν γεννήθηκε σε κάποιον συγκεκριμένο χρόνο, με κάθε διαφορετική μέθοδο θα παίρναμε και μια διαφορετική ηλικία του Σύμπαντος. Ας δούμε όμως τους διαφορετικούς τρόπους που χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να υπολογιστεί σύμφωνα με την κλασική επιστημονική λογική η ηλικία του Σύμπαντος Η πρώτη μέθοδος στηρίζεται στον νόμο του Χαμπλ, έναν νόμο που συνδέει τη φαινόμενη ταχύτητα απομάκρυνσης των γαλαξιών από τη Γη με την απόστασή τους από αυτή, ενώ θέτει και ως προϋπόθεση ότι το Σύμπαν είναι Ευκλείδειο και ότι το υλικό του εκτοξεύτηκε κατά τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης με σταθερή ταχύτητα. Οι πιο ακριβείς μετρήσεις με τη μέθοδο αυτή μας οδηγούν σε μια ηλικία του Σύμπαντος που κυμαίνεται από 13 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια με μέση τιμή τα 15 δισεκατομμύρια έτη. Αυτό που πρέπει να υπενθυμίσουμε είναι ότι η προηγούμενη τιμή της ηλικίας του Σύμπαντος προέκυψε μετά την παραδοχή ότι η διαστολή του είναι γραμμική μέσα σ έναν Ευκλείδειο χώρο. Αν όμως το Σύμπαν είναι σφαιρικό, δηλαδή η γεωμετρία που το περιγράφει δεν είναι του Ευκλείδη αλλά του Ρήμαν, η ηλικία του θα είναι μικρότερη από 13 δισεκατομμύρια χρόνια. Τέλος, αν η γεωμετρία που το περιγράφει είναι η γεωμετρία του Λομπατσέφσκι, δηλαδή όπως λέμε το Σύμπαν είναι υπερβολικό, τότε η ηλικία του θα έχει κάποια τιμή μεταξύ 13 και 20 δισεκατομμυρίων ετών. 2

3 Mία άλλη μέθοδος υπολογισμού της ηλικίας του Σύμπαντος στηρίζεται στον υπολογισμό της ηλικίας των ραδιενεργών στοιχείων του. Όπως γνωρίζουμε, τα ραδιενεργά στοιχεία μεταστοιχειώνονται συνεχώς σε αυστηρά προκαθορισμένο χρονικό διάστημα με άμεση συνέπεια να μετατρέπονται σε σταθερά στοιχεία. Mε τον τρόπο αυτό τα ισότοπα του ουρανίου 238 και του ουρανίου 235 μεταμορφώνονται τελικά σε μόλυβδο 206 και μόλυβδο 207 αντίστοιχα σε χρόνο τεσσάρων.δισεκατομμυρίων ετών. Aυτό σημαίνει πως αν θεωρήσουμε ότι όλες οι ποσότητες μολύβδου πάνω στη Γη αποτελούν προϊόντα μεταστοιχείωσης του ουρανίου, η ηλικία του γήινου μολύβδου θα είναι τέσσερα δισεκατομμύρια έτη. Στην ίδια ηλικία καταλήγουμε αν μελετήσουμε και άλλα στοιχεία των γήινων πετρωμάτων. Tο γεγονός αυτό μάς οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η ηλικία των χημικών στοιχείων της Γης, άρα και η δική της ηλικία είναι περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια έτη. Tα τελευταία χρόνια οι υπολογισμοί της ηλικίας των πετρωμάτων των μετεωριτών και της Σελήνης, με βάση τους χρόνους υποδιπλασιασμού των ραδιενεργών στοιχείων τους, έδωσαν ομοίως μια τιμή της τάξεως των τεσσάρων.δισεκατομμυρίων ετών. Aυτό αποδεικνύει ότι η Σελήνη και οι μετεωρίτες γεννήθηκαν την ίδια περίοδο με τη Γη. Aν στην παραπάνω ηλικία προσθέσουμε την ηλικία των υπερκαινοφανών αστέρων του Γαλαξία μας, από τους οποίους προήλθαν τα χημικά αυτά στοιχεία, τον χρόνο δημιουργίας των γαλαξιών, καθώς και τον χρόνο εξέλιξης των πρωτοσχηματισθέντων αστεριών μέχρι να φτάσουν στην κατάσταση των υπερκαινοφανών, θα έχουμε την ηλικία του Σύμπαντος, η οποία με τον τρόπο αυτό υπολογίζεται ίση με 11 έως 18 δισεκατομμύρια έτη. Μια τρίτη μέθοδος υπολογισμού της ηλικίας του Σύμπαντος προκύπτει από τη μελέτη των σφαιρωτών σμηνών, δηλαδή των σμηνών αστεριών που έχουν σφαιρική κατανομή στον χώρο. Σήμερα πιστεύουμε ότι η ηλικία του Γαλαξία μας συμπίπτει περίπου με την ηλικία των σφαιρωτών σμηνών του, που, όπως υπολόγισε ο Σάντατζ (Sandage) το 1965, κυμαίνεται μεταξύ 11 και 18 δισεκατομμυρίων ετών. Aν σ αυτή την ηλικία προσθέσουμε τον χρόνο που απαιτείται μέχρι να σχηματιστούν τα σφαιρωτά σμήνη δηλαδή περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η ηλικία του Σύμπαντος πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 12 και 19 δισεκατομμυρίων ετών. Όπως παρατηρούμε από τα προηγούμενα η ηλικία του Σύμπαντος, μετρούμενη με διαφορετικές μεθόδους, κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα γεγονός που σύμφωνα με την κλασική επιστημονική λογική οδηγεί στο 3

4 συμπέρασμα ότι το Σύμπαν έχει μια συγκεκριμένη αρχή, τη στιγμή δηλαδή της Μεγάλης Έκρηξης. Όπως ήδη έχουμε αναφέρει η πιο αποδεκτή μέχρι σήμερα θεωρία δημιουργίας του Σύμπαντος είναι η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Δεν είναι όμως και η μοναδική, εφόσον εκτός από αυτή έχουν διατυπωθεί και άλλες κοσμολογικές θεωρίες, με διαφορετικές φιλοσοφικές ή φυσικές αφετηρίες. H παράθεση μερικών από αυτές, αποτελεί μια μικρή απάντηση σε όλους εκείνους οι οποίοι αμφισβητούν την επιστημονική και φιλοσοφική τόλμη της σύγχρονης Aστροφυσικής. Tο 1948 οι Σερ Φρεντ Χόυλ, Χέρμαν Μποντί και Τόμας Γκολντ με ανεξάρτητες εργασίες τους, διατύπωσαν την άποψη ότι το Σύμπαν, εκτός από ισότροπο και ομογενές, πιθανόν να είναι και σταθερής πυκνότητας, δηλαδή αμετάβλητο στον χρόνο. H νέα αυτή αρχή ονομάστηκε «τέλεια κοσμολογική αρχή». Δεδομένου όμως ότι ήταν πλέον αποδεκτό πως το Σύμπαν διαστελλόταν, προκειμένου να παραμένει η πυκνότητα της ύλης του σταθερή θα έπρεπε να δημιουργείται συνεχώς ύλη από το μηδέν. Για τον λόγο αυτόν ο Χόυλ διατύπωσε την υπόθεση ότι θα ήταν δυνατόν να δημιουργείται εκ του μη όντος ένα άτομο υδρογόνου ανά κυβική παλάμη κάθε ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Aυτή η ελάχιστη ποσότητα ύλης θα μπορούσε να διατηρήσει σταθερή την πυκνότητα του Σύμπαντος. Η υπόθεση αυτή της διατήρησης μιας σταθερής συμπαντικής κατάστασης μέσα στο χρόνο, αποτέλεσε τη βάση της θεωρίας της Συνεχούς Δημιουργίας του Σύμπαντος. Ως προς τη φιλοσοφική τεκμηρίωση της Συνεχούς Δημιουργίας ύλης εκ του μηδενός, ο Σερ Φρεντ Χόυλ αναφέρει χαρακτηριστικά: «Εφόσον δεν μας ενοχλεί φιλοσοφικά το ότι η φύση παρανόμησε δημιουργώντας τεράστιες ποσότητες ύλης εκ του μηδενός, σύμφωνα με τη θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης τη στιγμή t=0, δεν βλέπω τον λόγο να αντιδράσουμε στην ιδέα ότι η φύση μπορεί να μικροπαρανομεί σε τακτά χρονικά διαστήματα». Πέρα από αυτά που αναφέραμε, αυτό που θα πρέπει να σημειωθεί είναι ότι η συγκεκριμένη θεωρία, όπως διατυπώθηκε, δεν είναι δυνατόν να ερμηνεύσει μια σειρά παρατηρησιακών δεδομένων όπως: Tην ακτινοβολία μικροκυμάτων. Tο γεγονός ότι η παραγωγή του στοιχείου ηλίου στ αστέρια είναι ανεπαρκής για να εξηγήσει την παρατηρούμενη αναλογία του στοιχείου αυτού στο Σύμπαν και τέλος. 4

5 Tο φαινόμενο Ράιλ, δηλαδή το ότι γαλαξίες που φαίνονται να απομακρύνονται με την ίδια ακτινική ταχύτητα από τη Γη βρίσκονται σε ίσες αποστάσεις από αυτή. Παρόλο που οι αρχικές απόψεις της θεωρίας της συνεχούς δημιουργίας δεν ικανοποιούσαν την επιστημονική κοινότητα ο Φρεντ Χόυλ το 1980 διατύπωσε μια νέα συμπληρωματική άποψη. Θεώρησε ότι η νέα ύλη που απαιτείται προκειμένου να διατηρείται σταθερή η πυκνότητα του Σύμπαντος, μπορεί να προέρχεται από λευκές οπές μεγέθους ίσου με έναν γαλαξία. Oμοίως, προσπαθώντας να δείξει ότι η Θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης δεν ευσταθεί, τόνιζε το γεγονός ότι η ηλικία της Γης είναι πολύ μικρότερη απ αυτήν που απαιτείται, προκειμένου η ανόργανη ύλη να μετουσιωθεί σ αυτό που σήμερα ονομάζουμε ευφυή ζωή στον πλανήτη μας. Μια άλλη πρωτότυπη φυσική άποψη για τη δημιουργία του Σύμπαντος διατυπώθηκε το 1961 από τους διάσημους αστροφυσικούς Μπρανς (Brans) και Ντίκε (Dicke). Bάσει της θεωρίας αυτής, η μάζα κάθε σώματος εξαρτάται από τη δυναμική επίδραση που ασκεί το σύνολο της συμπαντικής ύλης πάνω του. Σύμφωνα με τις απόψεις των δύο αστροφυσικών, αν το Σύμπαν διαστέλλεται, τότε οι αποστάσεις μεταξύ των αντικειμένων μέσα του συνεχώς θα μεγαλώνουν, ενώ αντίστοιχα η πυκνότητά του θα μικραίνει. Ως εκ τούτου η επίδραση που ασκεί η συνολική ύλη του Σύμπαντος πάνω στ αντικείμενα αντίστοιχα θα μικραίνει. Το γεγονός αυτό, όπως απέδειξαν οι Μπρανς και Ντίκε, σημαίνει ή ότι θα μειώνεται η τιμή της αδράνειας της ύλης, δηλαδή της μάζας κάθε σώματος, ότι ή ότι θα ελαττώνεται αντίστοιχα η τιμή της σταθεράς της παγκόσμιας έλξης (G). Με λίγα λόγια οι Μπρανς και Ντίκε, διατυπώνουν την άποψη ότι η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας δεν είναι σταθερή μέσα στο Σύμπαν αλλά μεταβάλλεται. Σημειώνουμε ότι και η θεωρία αυτή καταλήγει στο συμπέρασμα μιας αρχικής Mεγάλης Έκρηξης, όπως αυτή διατυπώνεται από τις σχετικιστικές κοσμολογίες. Δεν είναι όμως μόνο η θεωρία των Μπρανς και Ντίκε, που προβλέπει μια μεταβολή της σταθεράς της παγκόσμιας έλξης. Στο ίδιο συμπέρασμα, με βάση όμως ένα διαφορετικό σκεπτικό, καταλήγει και η θεωρία του Πωλ Ντιράκ (Paul Dirac), που παρατήρησε μια σειρά συμπτώσεων, όπως: Πρώτον, η τιμή της ηλικίας του Σύμπαντος (t Σ ) αν μετρηθεί με μονάδα τον χρόνο (t e ) που απαιτείται προκειμένου το φως να διατρέξει την υποθετική ακτίνα του ηλεκτρονίου, είναι περίπου Να γραφεί: ( t Σ = 1040 t e ) 5

6 Δεύτερον, η τιμή του λόγου της βαρυτικής δύναμης που αναπτύσσεται μεταξύ ηλεκτρονίου και πρωτονίου ως προς την ηλεκτρική δύναμη μεταξύ των ίδιων σωματιδίων, είναι και αυτή 1040 και Τρίτον, η τετραγωνική ρίζα του αριθμού των σωματιδίων του Σύμπαντος, έχει την τιμή 1039, πολύ κοντά δηλαδή στην τιμή Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε, οι προηγούμενες τιμές συμπίπτουν. Tο γεγονός αυτό οδήγησε τον Ντιράκ στο συμπέρασμα ότι αυτή η σύμπτωση δεν είναι τυχαία, αλλά εκφράζει έναν φυσικό νόμο που επιβάλλει οι τρεις παραπάνω παράμετροι, να έχουν πάντα την ίδια τιμή. Tα άμεσα αποτελέσματα της προηγούμενης παραδοχής, αν θεωρήσουμε βέβαια ως δεδομένο ότι η ηλικία του Σύμπαντος αυξάνεται, είναι τα επόμενα: Πρώτον, αν το φορτίο του ηλεκτρονίου (e) είναι σταθερό, θα πρέπει είτε να ελαττώνεται η μάζα του πρωτονίου είτε να μεταβάλλεται η παγκόσμια σταθερά της Βαρύτητας. Δεύτερον, θα πρέπει ο αριθμός των σωματιδίων του Σύμπαντος να αυξάνεται αυξανομένης της ηλικίας του. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να δημιουργείται συνεχώς καινούργια ύλη στο Σύμπαν εκ του μηδενός. Όπως είναι φανερό, η θεωρία του Ντιράκ φαίνεται να παρουσιάζει εκ πρώτης όψεως αρκετές ομοιότητες με τη θεωρία των Μπρανς και Ντίκε και τη θεωρία της Συνεχούς Δημιουργίας των Χόυλ-Μποντί και Γκολντ. Παρ όλα αυτά οι διαφοροποιήσεις είναι σημαντικές. Η θεωρία του Ντιράκ, προκειμένου να υποστηρίξει την άποψη ότι η συνολική μάζα του Σύμπαντος παραμένει σταθερή, καταφεύγει σε δύο αξιωματικές παραδοχές: Πρώτον ότι η μάζα κάθε σωματιδίου ελαττώνεται συνεχώς έτσι ώστε η συνολική μάζα του Σύμπαντος να παραμένει σταθερή, και δεύτερον ότι συγχρόνως με την εμφάνιση ποσοτήτων ύλης, εμφανίζεται ίση ποσότητα μιας ιδιόμορφης ύλης αρνητικής μάζας. Mε τον τρόπο αυτό το σύνολο της εμφανιζόμενης εκ του μηδενός ύλης παραμένει μηδενικό. Tο ενδιαφέρον είναι ότι και η θεωρία του Ντιράκ προϋποθέτει μια αρχική έκρηξη και για την ηλικία του Σύμπαντος υπολογίζει μια τιμή περίπου 6.δισεκατομμύρια χρόνια, η οποία, όμως, απέχει πολύ από την επικρατούσα τιμή των 15 δισεκατομμυρίων ετών. Συνεπώς οι περισσότεροι αστροφυσικοί θεωρούν ότι δεν είναι δυνατόν να ισχύει αυτή η θεωρία. Mια ακόμα ενδιαφέρουσα άποψη για τη φυσική δομή του Σύμπαντος διατυπώθηκε από τον Τζόρνταν (Jordan) το H θεωρία αυτή 6

7 στηρίχθηκε στη διαπίστωση ότι στο Σύμπαν, το αλγεβρικό άθροισμα της θετικής κινητικής ενέργειας διαστολής του και της πάντα αρνητικής δυναμικής ενέργειάς του, παραμένει σταθερά ίσο με το μηδέν. Tο πρόβλημα που δημιούργησε η προηγούμενη παρατήρηση εντοπίζεται στο γεγονός ότι λόγω της διαστολής η δυναμική ενέργεια του Σύμπαντος μειώνεται, ενώ το προηγούμενο άθροισμα θα πρέπει να παραμένει ίσο με το μηδέν. Όπως λοιπόν είναι κατανοητό θα έπρεπε να εφευρεθεί κάποιος φυσικός μηχανισμός που να διατηρεί τη σταθερότητα της δυναμικής ενέργειας. H λύση δόθηκε από τον Τζόρνταν, ο οποίος διατύπωσε τη θεωρία ότι η δυναμική ενέργεια του Σύμπαντος διατηρείται σταθερή, επειδή δημιουργείται μέσα σ αυτό ύλη από το μηδέν σε συγκεκριμένες θέσεις και κινούμενη με συγκεκριμένες ταχύτητες. Όπως συμπεραίνουμε, λοιπόν, ένας ακόμα διαπρεπής αστροφυσικός επανέφερε την ιδέα του Χόυλ που αφορά τη γένεση ύλης στο Σύμπαν εκ του μηδενός. H προηγούμενη όμως θεωρία, αν και τόσο ενδιαφέρουσα, δεν μπόρεσε να ερμηνεύσει την ακτινοβολία μικροκυμάτων καθώς και μια σειρά άλλων παρατηρησιακών δεδομένων. Ως εκ τούτου έπεσε στην αφάνεια. Όπως αντιλαμβανόμαστε από όλα τα προηγούμενα η προσπάθεια της ανθρώπινης νόησης να κατανοήσει τα κοσμικά γεγονότα που αποτέλεσαν τα αίτια της δημιουργίας του σύμπαντος, έχει οδηγήσει τη γνώση πολύ μακρύτερα από τον κόσμο των αισθήσεων και των μετρήσεών τους. Τώρα πλέον γνωρίζουμε ότι το υλικό Σύμπαν δεν αποτελεί παρά ένα δημιούργημα των αισθήσεών μας. Η αλήθεια της συμπαντικής γνώσης δεν είναι υπόθεση των αισθήσεών μας, αλλά του νου και της ψυχής μας, των μόνων αλάθητων αισθητηρίων που μας προίκισε η φύση. 7