Θέμα: Μποζόνιο του Χίγκς και Θεωρίες δημιουργίας του Σύμπαντος Ομάδα: M.A.S.A Σχολείο: 3 ο Λύκειο Αγίων Αναργύρων Τάξη: Β Λυκείου Τμήμα: ΤΕ4 Έτος:

Transcript

1 Θέμα: Μποζόνιο του Χίγκς και Θεωρίες δημιουργίας του Σύμπαντος Ομάδα: M.A.S.A Σχολείο: 3 ο Λύκειο Αγίων Αναργύρων Τάξη: Β Λυκείου Τμήμα: ΤΕ4 Έτος: Καθηγητές: Νίκος Ντουσάκης Μεταξάς Κωνσταντόπουλος Συμμετέχουν: Γιώργος Σταθακόπουλος Γιώργος Τριανταφυλλόπουλος Κων/νος Τσάτος Δημήτρης Τσουβαλάς Παναγιώτης Στρογγυλός

2 Περιεχόμενα Περίληψη σελ. 3 Πρόλογος σελ. 4 Θεωρητικό Μέρος σελ. 5 Τι είναι μποζόνιο σελ.5 Τι είναι μποζόνιο του Χιγκς; σελ. 6 Τι είναι το καθιερωμένο μοντέλο; σελ. 6 Ποιος είναι ο ρόλος του Χιγκς στο Καθιερωμένο Μοντέλο; σελ. 7 Οι λόγοι για τους οποίους η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς σελ. 8 αλλάζει τον τρόπο που βλέπουμε και αντιλαμβανόμαστε το Σύμπαν Πως λειτουργεί το μποζόνιο Χιγκς; σελ. 9 Γιατί είναι τόσο σημαντική η ανακάλυψη του Μποζονίου Χιγκς; σελ. 10 Γιατί το μποζόνιο Χιγκς ονομάστηκε Σωματίδιο του Θεού; σελ. 10 Πώς το αναζήτησαν οι επιστήμονες; σελ. 11 Τι είναι το πεδίο Χιγκς; σελ. 12 Που βρίσκεται στη φύση το μποζόνιο του Χιγκς; σελ. 13 Υπάρχει περίπτωση να βρούμε και δεύτερο μποζόνιο του Χιγκς; σελ. 14 Γιατί είναι τόσο δύσκολη η επιβεβαίωση της ύπαρξης του Χιγκς; σελ. 14 Πώς εμφανίστηκε η ιδέα για το πεδίο του Χιγκς; σελ. 15 Πώς βοήθησε ο μηχανισμός του Χιγκς τη θεωρία της ηλεκτρασθενούς σελ. 15 δύναμης; Γιατί "δημιουργήθηκε" το σωματίδιο Χιγκς; σελ. 16 Γιατί έως τώρα δεν έχουμε παρατηρήσει το σωματίδιο Χιγκς; σελ. 17 Πρακτικά τι θετικά έχει η ανακάλυψη; σελ. 18 Θα μπορούσε να εφαρμοστεί λοιπόν στην ιατρική; σελ. 18 Οι αρχαίοι για την δημιουργία του σύμπαντος σελ. 19 Βαβυλώνιοι σελ. 19 Αιγύπτιοι σελ. 21 Κινέζοι σελ. 22 Οι αρχαίοι Έλληνες σελ. 23 Εισαγωγή στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης σελ. 26 Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης σελ. 31 Επιχειρήματα Υπέρ της Θεωρίας σελ. 36 Επιχειρήματα Κατά της Θεωρίας σελ. 38 Επιστήμονες και Πατέρες της Εκκλησίας σχετικά με το Big Bang σελ. 40 Διαδικασία της έρευνας σελ. 42 Συμπεράσματα σελ. 44 Κριτική και αυτοκριτική αποτίμηση σελ. 46 Βιβλιογραφία σελ. 47 2

3 Περίληψη Ένα μποζόνιο είναι ένα σωμάτιο το οποίο ακολουθεί τη στατιστική Μποζέ-Αϊνστάιν (Bose-Einstein). Στη φύση υπάρχουν στοιχειώδη σωμάτια που είναι μποζόνια, αλλά και σύνθετα. Το σωματίδιο Χιγκς, καλούμενο εκλαϊκευμένα από τον Leon Lederman ως «το σωματίδιο Θεός» («the God particle»), είναι ένα μποζόνιο που, προβλέπεται θεωρητικά, η ταυτοποίησή του εκκρεμεί, ενώ θεωρείται πως έχει ήδη ανακαλυφθεί πειραματικά. Η ύπαρξη του σωματιδίου του Χιγκς δίνει τη δυνατότητα για εξήγηση στον τρόπο που συγκροτείται η ύλη προσδίδοντάς της ιδιότητες όπως για παράδειγμα η μάζα. Στις επόμενες σελίδες εμφανίζονται διάφορα στοιχεία για τις θεωρίες σχετικά με την δημιουργία του σύμπαντος σύμφωνα με γνωστούς επιστήμονες αλλά και την άποψη της Εκκλησίας, καθώς και τις θεωρίες των Αρχαίων. Η πιο γνωστή και εγκεκριμένη θεωρία είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης(Big Bang) που αναφέρει πως το σύμπαν δημιουργήθηκε από μία υπερβολική και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Φρέντ Χόουλ(Fred Hoyle), γνωστό αστροφυσικό, ο οποίος δεν χρησιμοποίησε τον όρο για να περιγράψει μια θεωρία αλλά για να ειρωνευτεί την νέα ιδέα. Παρόλα αυτά ο όρος επικράτησε αποβάλλοντας το ειρωνικό του περιεχόμενο. 3

4 Πρόλογος Ο λόγος για τον οποίο διαλέξαμε αυτό το ερευνητικό ερώτημα ήταν επειδή μας απασχολούσε το αν όντως υπάρχει το σωματίδιο του θεού και πως ανακαλύφθηκε. Έχει ενδιαφέρον το αν το σωματίδιο του θεού έχει όντως ανακαλυφθεί διότι το μποζόνιο του Χιγκς είναι το σωματίδιο που αντιστοιχεί στο πεδίο του Χιγκς, το οποίο προσδίδει μάζα στην ύλη. Είναι στοιχειώδες σωματίδιο, δηλαδή δεν έχει εσωτερική δομή και δεν αποτελείται από άλλα, συστατικά σωματίδια. Παρόλα αυτά, είναι εξαιρετικά ασταθές και όταν σχηματιστεί καταρρέει σχεδόν ακαριαία και δίνει άλλα υποατομικά σωματίδια. Οι επιστήμονες κουράστηκαν πολύ να προσδιορίσουν την πιθανή του μάζα, η ο- ποία εκτιμάται τώρα στα γύρω στα 121 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (Gev), περίπου 130 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Πιστεύουμε ότι το σωματίδιο του θεού υπάρχει όντως, αλλά σύμφωνα με τους επιστήμονες εμφανίζεται κάτω από ιδανικές συνθήκες και προσπαθούμε να κατανοήσουμε τις ιδιότητές του. Είναι πολύ σημαντικό το ερώτημα γιατί χωρίς το σωματίδιο του Χιγκς δεν θα υπήρχε μάζα στην ύλη. Το δεύτερο ερευνητικό ερώτημα που επιλέξαμε και ασχοληθήκαμε κατά την διάρκεια του δευτέρου τετραμήνου ήταν το ποια είναι η επικρατέστερη θεωρία δημιουργίας του σύμπαντος. Ερευνήσαμε διάφορες θεωρίες γύρω από αυτό το θέμα και καταλήξαμε στην πιο έγκυρη και την πιο διαδεδομένη. Σκοπός της έρευνας ήταν να μάθουμε πιο θεωρία είναι πιο έγκυρη και αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα, η οποία έχει αποδειχθεί επιστημονικά. Η θεωρία που από την αρχή της έρευνας μας πιστεύαμε πως επικρατεί είναι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, η οποία είναι και η πιο διαδεδομένη. Πιστεύουμε πως αυτή η ερευνητική εργασία είναι σημαντική διότι μέσα από μελέτες μπορούμε να καταλάβουμε τον τρόπο που δημιουργήθηκε το σύμπαν μας και όλα αυτά που βλέπουμε γύρω μας. 4

5 Θεωρητικό Μέρος Τι είναι μποζόνιο; Ό,τι υπάρχει στο Σύμπαν μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες στοιχειωδών σωματιδίων. Η πρώτη είναι τα φερμιόνια, τα οποία είναι συστατικά της ύλης. Η δεύτερη είναι τα μποζόνια, τα οποία λειτουργούν ως φορείς των φυσικών δυνάμεων και των αντίστοιχων πεδίων τους. Το φωτόνιο, για παράδειγμα, μεταδίδει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη στη μορφή φωτός και είναι φορέας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. 5

6 Τι είναι το μποζόνιο του Χιγκς; Το μποζόνιο του Χιγκς είναι το σωματίδιο που αντιστοιχεί στο πεδίο του Χιγκς, το οποίο προσδίδει μάζα στην ύλη. Είναι στοιχειώδες σωματίδιο, δηλαδή δεν έχει εσωτερική δομή και δεν αποτελείται από άλλα, συστατικά σωματίδια. Παρόλα αυτά, είναι εξαιρετικά ασταθές και όταν σχηματιστεί καταρρέει σχεδόν ακαριαία και δίνει άλλα υποατομικά σωματίδια. Οι επιστήμονες κουράστηκαν πολύ να προσδιορίσουν την πιθανή του μάζα, η οποία εκτιμάται τώρα στα γύρω στα 121 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (Gev), περίπου 130 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Τι είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο; Είναι το σύνολο των εξισώσεων που περιγράφουν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Το μοντέλο περιγράφει πώς λειτουργούν οι τρεις από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, δηλαδή ο ηλεκτρισμός, ο μαγνητισμός και το φως η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συγκρατεί τα σωματίδια στον πυρήνα των ατόμων και η α- σθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες μορφές ραδιενεργών αντιδράσεων. Το μοντέλο δεν έχει καταφέρει να ενσωματώσει τη βαρύτητα -η καλύτερη περιγραφή αυτής της δύναμης μέχρι σήμερα είναι η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, η οποία όμως είναι ασύμβατη με το μοντέλο. 6

7 Ποιος είναι ο ρόλος του Χιγκς στο Καθιερωμένο Μοντέλο; Στην αρχική τους μορφή, οι εξισώσεις του μοντέλου λειτουργούσαν μόνο αν η μάζα απουσίαζε από όλα στοιχειώδη σωματίδια. Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να συμβιβάσει το Μοντέλο με την έννοια της μάζας, και το μποζόνιο του Χιγκς είναι το τελευταίο από τα στοιχειώδη σωματίδια του Μοντέλου του οποίου η ύπαρξη αποδεικνύεται πειραματικά. Αν η ύπαρξη του διαψευδόταν, οι θεωρητικοί φυσικοί θα αναγκάζονταν να εξετάσουν εναλλακτικές θεωρίες για τη μάζα. 7

8 Οι λόγοι για τους οποίους η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς αλλάζει τον τρόπο που βλέπουμε και αντιλαμβανόμαστε το Σύμπαν. Το Βασικό Μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων περιγράφει τις αρχές που διέπουν τα στοιχειώδη σωματίδια και τις δυνάμεις που αλληλεπιδρούν στο Σύμπαν. Μέχρι σήμερα δεν έχει δοθεί εξήγηση για το πως τα σωματίδια αποκτούν μάζα. Τα σωματίδια ή μικρά θραύσματα ύλης, έχουν διάφορα μεγέθη και μπορούν να είναι μεγαλύτερα αλλά και μικρότερα από τα άτομα. Ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια, για παράδειγμα, είναι υποατομικά σωματίδια που συνθέτουν το άτομο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το Μποζόνιο Χιγκς είναι το σωματίδιο που εισφέρει σε όλη την ύλη την μάζα της. Οι ειδικοί γνωρίζουν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια, είναι τα θεμέλια πάνω στα οποία εδράζεται όλη η ύλη του Σύμπαντος. Το μυστηριώδες μέχρι σήμερα μποζόνιο Χιγκς δίνει στα σωματίδια μάζα και καλύπτει ένα από τα καίρια κενά στη σύγχρονη Φυσική. Είναι το τελευταίο κομμάτι που έλειπε από την ανθρώπινη γνώση για την πιο θεμελιώδη φύση του Σύμπαντος. 8

9 Πως λειτουργεί το μποζόνιο Χιγκς; Το συγκεκριμένο σωματίδιο αποτελεί μέρος μιας θεωρίας που πρωτοδιατυπώθηκε από τον φυσικό Πιτερ Χιγκς και άλλους τη δεκαετία του 1960, για να εξηγήσει πως αποκτούν μάζα τα σωματίδια. Η θεωρία προτείνει ότι υπάρχει ένα πεδίο Χιγκς σε όλο το Σύμπαν. Καθώς τα σωματίδια κινούνται μέσα του, αλληλεπιδρούν και προσελκύουν Μποζόνια Χιγκς, τα οποία συγκεντρώνονται γύρω τους σε ποικίλους αριθμούς. Εάν φανταστεί κανείς το σύμπαν σε ένα πάρτι, σχετικά άγνωστοι μεταξύ τους καλεσμένοι μπορούν να διασχίσουν ένα δωμάτιο χωρίς να γίνουν αντιληπτοί, ενώ οι πιο δημοφιλείς θα προσελκύσουν ομάδες φίλων ( τα μποζόνια Χιγκς), οι οποίοι θα του αναγκάσουν να επιβραδύνουν την πορεία τους. Το ίδιο ισχύει για σωματίδια που κινούνται στο πεδίο Χιγκς, καθώς κάποια θα προσελκύουν μεγαλύτερες συναθροίσεις μποζονίων Χιγκς, αποκτώντας μεγαλύτερη μάζα. 9

10 Γιατί είναι τόσο σημαντική η ανακάλυψη του Μποζονίου Χιγκς; Ο εντοπισμός του δεν θα μας πει οτιδήποτε χρήσιμο για το πώς λειτουργεί το Σύμπαν, αλλά θα καλύψει ένα τεράστιο κενό στο Βασικό Μοντέλο, το οποίο υπήρχε για πάνω από μισό αιώνα. Γιατί το μποζόνιο Χιγκς ονομάστηκε Σωματίδιο του Θεού; Το διάσημο παρατσούκλι το μυστηριώδους σωματιδίου δημιουργήθηκε για τον τίτλο ενός βιβλίου του νομπελίστα φυσικού Λέον Λέντερμαν. Φήμες λένε παρά τη θέλησή του, καθώς ο ίδιος επιθυμούσε να το ονομάσει «διαολεμένο σωματίδιο» λόγω του ότι κανείς δεν μπορούσε να το βρει. Όπως σχολιάζουν οι φυσικοί, δεν έχει να κάνει με θρησκευτικές απόψεις, αν εξαιρέσουμε ότι αφορά ένα πεδίο που είναι πανταχού παρόν, σε όλο το σύμπαν. 10

11 Πώς το αναζήτησαν οι επιστήμονες; Τους τελευταίους 18 μήνες οι επιστήμονες κυνηγούν το μποζόνιο Χιγκς προκαλώντας συγκρούσεις πρωτονίων μέσα σε παιδία υψηλής ενέργειας στον κόστους 8δις ευρώ, μεγάλο επιταχυντή Ανδρονίων του CERN στην Γενεύη της Ελβετίας. Μέσα του, στα έγκατα των γαλλοελβετικών Άλπεων, δημιουργούνται α- κόμη μικρότερα σωματίδια που οι επιστήμονες παρατηρούν, αναζητώντας μια ένδειξη στα στοιχεία που να υποδεικνύει την ύπαρξη του μποζόνιου Χιγκς. Σε κάθε περίπτωση, εάν υπάρχουν, τα μποζόνια Χιγκς θα παραμείνουν μυστηριώδη, καθώς εμφανίζονται και εξαφανίζονται ταχύτατα και οι επιστήμονες μπορούν μάλλον να παρατηρήσουν τα υπολείμματα και την επίδρασή τους, περισσότερο από ότι τα ίδια. Μετά από χρόνια ερευνών, οι επιστήμονες περιόρισαν το εύρος της πιθανής μάζας στην οποία θα μπορούσαν να υφίσταται τα μποζόνια Χιγκς. Μόλις ένα χρόνο πριν, μια στατιστική ανωμαλία τους έδειξε για πρώτη φορά ότι βρίσκονται στο σωστό δρόμο. 11

12 Τι είναι το πεδίο Χιγκς; Αν και λέγεται και γράφεται ευρέως ότι το μποζόνιο Χιγκς δίνει στα στοιχειώδη σωματίδια τη μάζα τους, αυτό δεν είναι απόλυτα σωστό. Τη μάζα τη δίνει το πεδίο Χιγκς, το οποίο δεν την δημιουργεί εκ του μηδενός αλλά την ε- μπεριέχει από πριν ως ενέργεια. Τη στιγμή που εμφανίστηκε το Σύμπαν, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είχαν μάζα. Αυτό άλλαξε ένα τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου αργότερα, όταν εμφανίστηκε το πεδίο Χιγκς, λέει η θεωρία. Ορισμένα σωματίδια όπως το φωτόνιο μπορούν να κινούνται μέσα στο πεδίο χωρίς να συναντούν αντίσταση, γι αυτό και δεν έχουν μάζα. Άλλα σωματίδια, όπως το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, κολυμπούν με δυσκολία μέσα στο πεδίο. Και όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση που συναντούν, τόσο μεγαλύτερη η μάζα τους. 12

13 Που βρίσκεται στη φύση το μποζόνιο του Χιγκς; Τα μποζόνια Χιγκς δεν υπάρχουν πουθενά σε σταθερή κατάσταση. Δεν μπορεί κανείς να μαζέψει σε ένα κουτί μποζόνια Χιγκς. Το σωματίδιο υπάρχει μόνο στιγμιαία σε συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας, ή ενέργειας όπως προτιμούν να λένε οι φυσικοί. Τέτοιες θερμοκρασίες υπήρξαν μερικές στιγμές μετά τη Μεγάλη έκρηξη και παράγονται σήμερα στο τούνελ του μεγάλου επιταχυντή ανδρονίων (LHC) στο CERN. Το σωματίδιο μπορεί επίσης να εμφανίζετα στιγμιαία σε τυχαία συμβάντα υψηλής ενέργειας, για παράδειγμα κατά την πρόσκρουση κοσμικών ακτίνων στη γήινη ατμόσφαιρα, ωστόσο δεν είναι ουσιαστικό της καθημερινής πραγματικότητας. Υπάρχουν όμως και τα λεγόμενα «εικονικά» σωματίδια Χιγκς, τα οποία εμφανίζονται κυριολεκτικά από το πουθενά και εξαφανίζονται μια στιγμή αργότερα. Τα στοιχειώδη σωματίδια που έχουν μάζα πιστεύεται ότι αποκτούν αυτή την ιδιότητα όταν αλληλεπιδρούν με το πεδίο μέσω εικονικών σωματιδίων. Με άλλα λόγια, το μποζόνιο Χιγκς μπορεί να εμφανιστεί οπουδήποτε αλλά μόνο μια στιγμή. 13

14 Υπάρχει περίπτωση να βρούμε και δεύτερο μποζόνιο του Χιγκς; Ναι. Μεταξύ άλλων, ο Μεγάλος Επιταχυντής Ανδρονίων θα μπορούσε να προσφέρει ενδείξεις για την λεγόμενη θεωρία την υπερσυμμετρίας, η οποία προβλέπει ότι για κάθε σωματίδιο που γνωρίζουμε υπάρχει ένα αντίστοιχο, «υπερσυμμετρικό» σωματίδιο με μεγαλύτερη μάζα. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να υπάρχει ένα υπερσυμετρικό αντίστοιχο του Χιγκς, ενώ υπάρχουν και θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν πέντε ή και επτά παραλλαγές του Χιγκς. Γιατί είναι τόσο δύσκολη η επιβεβαίωση της ύπαρξης του Χιγκς; Πρώτον, το φευγαλέο σωματίδιο εμφανίζεται μόνο σε ακραίες θερμοκρασίες, τις οποίες μπορεί να πετύχει με σιγουριά μόνο ο LHC, o ισχυρότερος και ακριβότερος επιταχυντής. Δεύτερον, το Χιγκς εμφανίζεται πολύ σπάνια στις συγκρούσεις πρωτονίων μέσα στον LHC, επομένως οι ερευνητές πρέπει να εξετάζουν τρισεκατομμύρια συμβάντα για να δουν έστω και ένα μικρό ίχνος του. Τρίτον, το μποζόνιο είναι τόσο βραχύβιο ώστε διασπάται πριν φτάσει καν στους ανιχνευτές του επιταχυντή. Επομένως, η ανίχνευσή του δεν μπορεί να γίνει άμεσα. Οι ερευνητές απλά συμπεραίνουν την ύπαρξή του επειδή το σωματίδιο λάμπει διά τις απουσίας του: η ανάλυση δείχνει ότι εξαφανίστηκε μια μικρή ποσότητα από την ενέργεια της σύγκρουσης, και η ποσότητα αυτή πρέπει να αντιστοιχεί στην ενέργεια, και επομένως στη μάζα, ενός άφαντου σωματιδίου. 14

15 Πώς εμφανίστηκε η ιδέα για το πεδίο του Χιγκς; Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να καταστήσει το μέγεθος της μάζας συμβατό με τις εξισώσεις της σωματιδιακής φυσικής. Επιπλέον, όμως, συνετέλεσε στο να ενοποιηθούν, δηλαδή να περιγραφούν με κοινό τρόπο, δύο από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (που προέκυψε με τη σειρά της από την ενοποίηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού) και η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες ραδιενεργές αντιδράσεις, όπως αυτές που τροφοδοτούν τον Ήλιο. Αυτό που προέκυψε είναι η λεγόμενη «ηλεκτρασθενής δύναμη», η οποία επέτρεψε στους θεωρητικούς φυσικούς να προχωρήσουν ένα βήμα προς τον απώτερο, απόλυτο στόχο τους: να περιγράψουν μια θεωρία των πάντων, η οποία εξηγεί όλες τις φυσικές δυνάμεις ως παράγωγα μιας κοινής δύναμης που υπήρχε μόνη της τη στιγμή που γεννήθηκε το Σύμπαν. Πώς βοήθησε ο μηχανισμός του Χιγκς τη θεωρία της ηλεκτρασθενούς δύναμης; Στην προσπάθειά τους να βρουν την κοινή προέλευση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης, οι φυσικοί στα μέσα του προηγούμενου αιώνα συνάντησαν ένα σημαντικό εμπόδιο: το φωτόνιο, το σωματίδιο που λειτουργεί ως φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, δεν έχει μάζα. Αντίθετα, τα σωματίδια που μεταδίδουν την ασθενή πυρηνική δύναμη, τα μποζόνια W και Z, έχουν μάζα και μάλιστα μεγάλη. Πώς λύνεται το πρόβλημα; Σύμφωνα με την κρατούσα πλέον δύναμη, το πρώτο τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη τίποτα στο Σύμπαν δεν είχε μάζα, οπότε μπορούσε να υπάρχει ένα αβαρές σωματίδιο-φορέας της ηλεκτρασθενούς δύναμης. Στη συνέχεια, όμως, εμφανίστηκε το πεδίο του Χιγκς, το οποίο «έσπασε τη συμμετρία» ανάμεσα στην ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη και τις έκανε να μοιάζουν διαφορετικές, ή ασύμμετρες, όπως τις βλέπουμε σήμερα. 15

16 Γιατί "δημιουργήθηκε" το σωματίδιο Χιγκς; Γνωρίζουμε ότι η ασθενής αλληλεπίδραση (μέσω λεπτομερών πειραματικών παρατηρήσεων) έχει μικρή ακτίνα δράσης. Επομένως, οι φορείς της W+, W- και Z0 θα πρέπει να έχουν μάζα. Η δυσκολία, λοιπόν, περιγραφής της ασθενούς αλληλεπίδρασης ως θεωρίας βαθμίδας είναι εύλογη: θεωρία βαθμίδας με φορέα που να έχει μάζα είναι απαγορευτική. Το ξεπέρασμα αυτής της δυσκολίας μπήκε στο τραπέζι της έρευνας έντονα όταν άρχισε η προσπάθεια ενοποίησης της (επιτυχημένης) θεωρίας βαθμίδας του ηλεκτρομαγνητισμού με μια αντίστοιχη για την ασθενή αλληλεπίδραση. Το πρόβλημα, για να το βάλουμε πάλι σε πιο χειροπιαστή όσο και απομυθοποιητική βάση, είναι η παρουσία, στις μαθηματικές εκφράσεις της θεωρίας βαθμίδας, όρου που να περιγράφει την μάζα του αντίστοιχου φορέα, με ταυτόχρονη όμως συμβατότητα με τους αυστηρούς κανόνες. Η ιδέα του Άγγλου φυσικού Χιγκς (αλλά και των Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble και Nambu) είναι ακριβώς το ξεπέρασμα της δυσκολίας αυτής και η εμφάνιση όρου μάζας για τα σωματίδια φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Ποια λοιπόν ήταν η ιδέα αυτή; Κατ' αρχάς απαιτήθηκε η εισαγωγή στη θεωρία ενός νέου σωματιδίου με "παράξενες", αλλά πλήρως συμβατές με τους αυστηρούς κανόνες, ιδιότητες. Το νέο σωματίδιο (το σωματίδιο Χιγκς ) διαφέρει τόσο από τα σωματίδια ύλης (κουάρκ και λεπτόνια) όσο και από τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων, αλληλεπιδρά δε μαζί τους. 16

17 Γιατί έως τώρα δεν έχουμε παρατηρήσει το σωματίδιο Χιγκς; Είναι δύσκολο και σπάνιο να παραχθεί. Για να παραγάγουμε ένα σωματίδιο στα πειράματα πρέπει να έχουμε διαθέσιμη ενέργεια κατ' ελάχιστο ίση με το γινόμενο της μάζας του σωματιδίου επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Επομένως, αν το Χιγκς έχει μεγάλη μάζα, τα έως σήμερα πειράματα δεν είχαν την ικανότητα να το παραγάγουν. Πράγματι, οι θεωρητικές προβλέψεις για τη μάζα του Χιγκς είναι τέτοιες ώστε να θεωρούμε ότι στα νέα πειράματα που ξεκίνησαν το 2009 στο CERN έχουμε επί τέλους ικανή ενέργεια να το παραγάγουμε και να το ανιχνεύσουμε. 17

18 Πρακτικά τι θετικά έχει η ανακάλυψη; Η έρευνα που επιτελείται στο CERN είναι αυτό που αποκαλούμε βασική έρευνα. Ο σκοπός είναι η παραγωγή γνώσης και δεν υπάρχει αρχικά καμία πρακτική εφαρμογή. Καμία. Παρόλα αυτά, πολλές πρακτικές εφαρμογές εμφανίζονται εκ των υστέρων. Για παράδειγμα, το CERN ανακάλυψε το WWW (World Wide Web) για άλλο λόγο, η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου (PET) χρησιμοποιεί όργανα (ανιχνευτές) που βασίζονται στη μέθοδο παρατήρησης σωματιδίων. Θα μπορούσε να εφαρμοστεί λοιπόν στην ιατρική; Το ίδιο το σωματίδιο δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Οι τεχνικές που αναπτύσσονται θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην ιατρική. Η σημαντικότητα της εύρεσης έχει να κάνει με την επιβεβαίωση πάντως του Καθιερωμένου Μοντέλου. Στην αρχική τους μορφή, οι εξισώσεις του μοντέλου λειτουργούσαν μόνο αν η μάζα απουσίαζε από όλα στοιχειώδη σωματίδια. Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να συμβιβάσει το Μοντέλο με την έννοια της μάζας, και το μποζόνιο του Χιγκς είναι το τελευταίο από τα στοιχειώδη σωματίδια του Μοντέλου του οποίου η ύπαρξη αποδεικνύεται πειραματικά. Αν η ύπαρξη του διαψευδόταν, οι θεωρητικοί φυσικοί θα αναγκάζονταν να εξετάσουν εναλλακτικές θεωρίες για τη μάζα. 18

19 ΟΙ ΑΡΧΑΙΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΒΑΒΥΛΩΝΙΟΙ Αρχικά υπήρχε το χάος, μέχρι που όλα άρχισαν να παίρνουν μορφή (τα ίδια πάνω κάτω που λένε οι αστρονόμοι σήμερα για τη δημιουργία των γαλαξιών). Μετά ξεκίνησε μια πάλη των θεών, όπου ο Μαρντούκ (ο καλός) νίκησε την Τιτάμ (την κακή), διχοτόμησε το σώμα της, και με το μισό έκανε τη γη, ενώ με το άλλο μισό τον ουρανό. Η γη είναι σαν κούφιο βουνό που απάνω της έχει τρεις θόλους με τρύπες απ όπου τρέχουν τα πάνω νερά (η βροχή) και από κάτω της είναι οι θεοί του Άδη. Υπάρχουν και τα κάτω νερά Τα πράγματα στο Σύμπαν, σύμφωνα με τους Βαβυλώνιους ιερείς και αστρολόγους είχαν ως εξής: απ όπου ξεπηδά το νερό των πηγών. Ο θόλος με τα αστέρια είναι ο χαμηλότερος στη Γη (πάνω από αυτόν είναι ο Μαρντούκ και ο Ανού) και από αυτόν κρέμονται χιλιάδες φώτα. Υπάρχουν μόνο εφτά πλανήτες. Ο Ήλιος και η Σελήνη ανήκουν σε αυτούς τους εφτά. Η Γη περιστοιχίζεται από νερό και βρίσκεται, μαζί με το νερό ολόγυρά της, μέσα σε ένα στρογγυλό κοχύλι, σε ένα πράγμα σαν στρείδι που το πάνω μέρος του είναι ο ουρανός θόλος. Και ο Ήλιος; Για τον Ήλιο υπάρχει εξήγηση: Ο θεός Ήλιος κάνει κάθε μέρα την ίδια διαδρομή με το άρμα του. Αυτό που βλέπουμε και είναι τόσο φωτεινό, είναι ο ένας τροχός του άρματος. Βγαίνει λοιπόν κάθε μέρα από μια πόρτα στον Ουρανό και χάνεται από μια άλλη πόρτα απέναντι. Για να σχολιάσουμε τα «επιστημονικά» συμπεράσματα των ιερέων των Βαβυλωνίων θα πρέπει να ξέρουμε πως μέχρι το 2100 π. Χ. τα γαϊδούρια ήταν το μεταφορικό μέσο των κατοίκων της περιοχής. Μετά την εμφάνιση του αλόγου από τα οροπέδια της κεντρικής Ασίας, το άρμα είναι το πιο σύγχρονο μεταφορικό μέσο. Ένας θεός λοιπόν αποκλείεται να τριγύρναγε με τα πόδια, αλλά μόνο με άρμα θα μετακινούνταν. Τώρα γιατί παρουσίαζε αυτήν την περιοδικότητα στην κίνηση του και κάθε πρωί έκανε την ίδια βόλτα σα λεωφορείο, αυτό ήταν δικό του θέμα. 19

20 Μπορεί τώρα πια να μοιάζουν αστεία όλα αυτά αλλά και μόνο η βελτίωση και η καθιέρωση ημερολογίου, καθώς και η πρόβλεψη εκλείψεων είναι πολύ σημαντικά επιτεύγματα των Βαβυλωνίων. Από κει και μετά όλα τα μοντέλα εξήγησης του σύμπαντος που ανέπτυξαν άλλοι λαοί ήταν παρόμοια με αυτά των Βαβυλωνίων. Απλός άλλαζε λίγο το «σχήμα» του κόσμου και το «μεταφορικό μέσο» του Ηλίου. 20

21 ΑΙΓΥΠΤΙΟΙ Τα συμπεράσματά τους είναι τα εξής: Η Γη βρίσκεται μέσα σε ένα ορθογώνιο κουτί. Γύρω της υπάρχει ένας ποταμός. Στο κέντρο της (φυσικά) η Αίγυπτος. Ο Ήλιος και η Σελήνη ταξιδεύουν με βάρκες στον ουράνιο ποταμό. Κάθε 15 μέρες μια άγρια γουρούνα (!) αρχίζει να τρώει την Σελήνη μέχρι που την εξαφανίζει. Μετά από δύο βδομάδες αυτή ξαναγεννιέται (πανσέληνος ). Μερικές φορές η γουρούνα είναι πιο επιθετική και την καταπίνει μονομιάς (έκλειψη σελήνης). Άλλοτε πάλι τον Ήλιο τον καταπίνει ένα φίδι (έκλειψη Ηλίου). Ενώ προσδιόρισαν με μεγάλη ακρίβεια τα σημεία του ορίζοντα, οι Αιγύπτιοι, δεν έδωσαν μεγάλη σημασία στις κινήσεις των πλανητών και στο ζωδιακό κύκλο. Το δε ημερολόγιό τους (με πρόσθετες ημέρες για διόρθωση) παρέμεινε λανθασμένο εξαιτίας των ισχυρών θρησκευτικών τους προκαταλήψεων που δεν επέτρεπαν αλλαγές. 21

22 ΚΙΝΕΖΟΙ Στο δικό τους μοντέλο, θεωρούν τον κόσμο σαν μια άμαξα που γύρω της υπάρχου 4 θάλασσες. Ο Ουρανός είναι η σκεπή της άμαξας και έχει πολλά πατώματα. Ανάμεσα στον Ουρανό και τη Γη βρίσκονται τα αστέρια. Όταν ο δράκοντας τρώει τη Σελήνη ή τον Ήλιο τότε συμβαίνει έκλειψη. Το έτος έχει ως βάση το σεληνιακό μήνα και το ημερολόγιό τους έχει 365,25μέρες. Για τη διόρθωση του πρόσθεταν ενδιάμεσους μήνες. 22

23 ΟΙ ΑΡΧΑΙΟΙ ΕΛΛΗΝΕΣ ΑΝΑΞΙΜΑΝΔΡΟΣ Η Γη είναι μια μετέωρη κυλινδρική κολόνα που κρατάει και στηρίζει το κέντρο του σύμπαντος. Περιτριγυρίζεται από φλοιούς που έχουν τρύπες. Μέσα από τις τρύπες αυτές που βλέπουμε το «κοσμικό πυρ». Το φως που περνάει μέσα από τις τρύπες αυτές, είναι το φως των α- στεριών που βλέπουμε τη νύχτα. ΑΝΑΞΙΜΕΝΗΣ Η Γη είναι μετέωρη και βρίσκεται μέσα σε μια διάφανη σφαίρα.πάνω στη σφαίρα αυτή τα αστέρια είναι καρφωμένα (σαν πινέζες).το μέγεθός τους είναι μεγάλο. ΞΕΝΟΦΑΝΗΣ Η Γη είναι ριζωμένη στο άπειρο. Δεν υπάρχουν αστέρια. Οι αναθυμιάσεις των αερίων της Γης κάθε νύχτα καίγονται μέχρι το ξημέρωμα. Το φως από την καύση αυτή είναι το φως των αστεριών. Οι σπινθήρες κάθε πρωί σχηματίζουν ένα καινούργιο Ήλιο. Η Σελήνη είναι ένα σύννεφο που κάνει ένα μήνα να διαλυθεί και τότε σχηματίζεται ένα νέο σύννεφο. Κάθε περιοχή της Γης έχει και τις δικές της αναθυμιάσεις. Συνεπώς 2 άνθρωποι που ζουν σε διαφορετικούς τόπους βλέπουν διαφορετικά αστέρια τη νύχτα και διαφορετικό Ήλιο την ημέρα. ΠΥΘΑΓΟΡΕΙΟΙ Το σύμπαν, σύμφωνα με τους Πυθαγόρειους, είναι μια σφαίρα. Οι πλανήτες, o Ήλιος και το Φεγγάρι γυρίζουν γύρω από τη Γη σε διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ τους. Οι τροχιές περιγράφονταν με αριθμούς και οι αριθμοί αντιστοιχούσαν σε ήχους. Η Γη και η Σελήνη σχημάτιζαν ένα μουσικό διάστημα ενός τόνου. Η Σελήνη με τον Ερμή ένα ημίτονο. Το ίδιο και ο Ερμής με την Αφροδίτη. Η Αφροδίτη με τον Ήλιο μια τρίτη ελάσσονα. Ο Ήλιος με τον Άρη ένα τόνο. Ο Άρης με τον Δία ένα ημίτονο. Το ίδιο ο Δίας με τον Κρόνο. Και ο Κρόνος με την εξωτερική σφαίρα που υπήρχαν τα ακίνητα αστέρια, μια 23

24 τρίτη ελάσσονα. Αυτήν την Ουράνια μουσική των πλανητών δεν την ακούν ό- λοι οι άνθρωποι, αλλά μόνο όσοι έχουν το χάρισμα. Οι υπόλοιποι ακούν την ψιθυριστή βοή των πλανητών, όταν αυτοί ταξιδεύουν στον Ουρανό. Η Ουράνια αρμονία φανερώνει τα μυστικά της μόνο στους εκλεκτούς. Η Πυθαγόρεια εταιρία γρήγορα απέκτησε θρησκευτικό χαρακτήρα εξαιτίας του έντονου μυστικισμού. Λειτούργησε περισσότερο σαν μυστική Στοά. Απαγορευτικό στους μαθητές να φανερώνουν τις ανακαλύψεις στον έξω κόσμο και μερικοί που θέλησαν να φύγουν από τη σχολή θανατώθηκαν, γιατί ήξεραν πολλά. Αν και δεν πρότειναν ουσιαστικά κανένα νέο μοντέλο κίνησης των πλανητών και εξήγησης της δημιουργίας του σύμπαντος, η συνεισφορά τους στην αστρονομία ήταν μεγάλη, γιατί κατάφεραν για πρώτη φορά να συνδέσουν τα φαινόμενα με αριθμούς και μετρούμενα μεγέθη, που είναι πια μια θεμελιώδης μέθοδος για κάθε μορφή επιστήμης μέχρι τις μέρες μας. ΦΙΛΟΛΑΟΣ Ο Φιλόλαος είναι ο πρώτος που υποστήριξε πως κινείτε η Γη. Βέβαια τα υπόλοιπα από όσα λέει είναι μάλλον ακραίες θεωρίες που άπτονται της φαντασίας. Η Γη λοιπόν κινείται αλλά μαζί της κινείται και ο Ήλιος. Στο κέντρο της κίνησης βρίσκεται η «καρδιά» του σύμπαντος ή αλλιώς το «κεντρικό πυρ». Ανάμεσα στη Γη και στη καρδιά του σύμπαντος υπάρχει η αντι Γη που εμποδίζει τη θερμότητα από το κεντρικό πυρ να κάψει τη Γη. Ευτυχώς ΗΡΑΚΛΕΙΔΗΣ Και πάλι η Γη βρίσκεται στο κέντρο. Όμως τώρα περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της (να και κάτι πρωτοποριακό). Ο Ήλιος γυρίζει γύρω της και η Α- φροδίτη με τον Ερμή γυρίζουν γύρω από αυτόν. ΑΡΙΣΤΑΡΧΟΣ Ο Αρίσταρχος είναι πρωτοπόρος στη θεωρία. Και είναι ο πιο άτυχος απ τους υπόλοιπους. Μεταφέρει τη Γη σε τροχιά και τον Ήλιο στο κέντρο. Είναι το πρώτο ηλιοκεντρικό σύστημα που εμφανίζεται. Ο Ήλιος λοιπόν είναι ακίνητος στο κέντρο καιοι πλανήτες γυρίζουν γύρω του με την εξής σειρά: Ερμής, Α- φροδίτη, Γη, Άρης, Δίας, Κρόνος. Η σελήνη είναι δορυφόρος της Γης. Και όμως η καταπληκτική αυτή σκέψη του Αρίσταρχου που άγγιξε και την πραγματικότητα πέφτει στα αζήτητα. Η σωστότερη θεωρία για την κίνηση των πλανητών που εμφανίστηκε μέχρι τότε, δεν έχει πολλούς οπαδούς. Δεν συγκινεί κανέναν και εγκαταλείπεται για 15 ολόκληρους αιώνες. 24

25 ΠΛΑΤΩΝΑΣ ΚΑΙ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ Δυστυχώς με τον Πλάτωνα, τον Αριστοτέλη και τους συνεχιστές τους ξαναγυρίζουμε στο Γεωκεντρικό σύστημα ισχυρή προσωπικότητα του Αριστοτέλη και η εκτίμηση όλων για το αλάνθαστο των θεωριών του δημιούργησε ένα κατεστημένο που φρέναρε την ανάπτυξη της αστρονομίας για αιώνες ολόκληρους. Η σφαίρα (το τέλειο σχήμα) εμπλέκεται σε κάθε προσπάθεια ανάπτυξης ικανοποιητικού μοντέλου κίνησης των πλανητών. Η Γη είναι στο κέντρο, οι πλανήτες βρίσκονται πάνω σε διαφανείς σφαίρες που περιστρέφονται, και για αυτό καταφέρνουμε να βλέπουμε τους πλανήτες να κινούνται αλλά όχι τις ίδιες τις σφαίρες. Οι σφαίρες αυτές στην αρχή είναι 9, μετά, επειδή δεν φτάνουν να περιγράψουν την κίνηση των πλανητών, γίνονται 54 (Αριστοτέλης). Υπάρχουν σφαίρες μέσα σε άλλες σφαίρες που κι αυτές περιστρέφονται. Οι εσωτερικές σφαίρες έχουν πάνω τους πλανήτες που κινούνται διαγράφοντας τόξα. 25

26 Εισαγωγή στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης Η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) είναι κοσμολογική θεωρία σύμφωνα με την οποία το σύμπαν δημιουργήθηκε από μια υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι η πιο διαδεδομένη αυτή τη στιγμή στην επιστημονική κοινότητα. Ο όρος Big Bang χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Φρεντ Χόυλ (Fred Hoyle) σε μια ραδιοφωνική εκπομπή του BBC, το κείμενο της οποίας δημοσιεύτηκε το Ο Χόυλ δεν χρησιμοποίησε τον όρο για να περιγράψει μία θεωρία, αλλά για να ειρωνευτεί τη νέα ιδέα. Παρόλα αυτά ο όρος επικράτησε αποβάλλοντας το ειρωνικό του περιεχόμενο. Η δημιουργία τού σύμπαντος, τοποθετείται από τους αστροφυσικούς σε μια απόσταση 13 δισεκατομμυρίων και 700 εκατομμυρίων ετών πριν. Nωρίτερα όμως, έγινε δυνατόν να εντοπισθούν και μερικές από τις πρώτες δημιουργικές ενέργειες τού Θεού, όπως αυτές καταγράφηκαν από τα πειράματα των φυσικών και τις θεωρίες των μαθηματικών: Η Μεγάλη Έκρηξη σηματοδότησε την αρχή τού Χωροχρόνου μας προ 13,7 δισεκατ. ετών. Τότε ξεκίνησε και η σύντομη εποχή της Κβαντικής Βαρύτητας. 0, του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν αποτελείτο από υποατομικά σωματίδια. Μετά ξεκίνησε μια επίσης σύντομη εποχή του Πληθωρισμού, 0, τού δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο χώρος και ο χρόνος διαστέλλονταν ταχύτατα σαν μπαλόνι, και μαζί τους επεκτείνονταν τα σωματίδια 26

27 σε τεράστιες αποστάσεις, χωρίς να διασχίζουν αυτόν τον χωροχρόνο, καθώς ο ίδιος ο χωροχρόνος ξεχείλωνε. 0,0001 τού δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη σχηματίσθηκαν τα Πρωτόνια και τα Νετρόνια από βασικότερα υποατομικά σωματίδια, τα Κουάρκς. Αυτά με τη σειρά τους, συνέθεσαν τους πρώτους ατομικούς Πυρήνες 3 λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα Πρωτόνια και τα Νετρόνια σχηματίζουν ατομικούς πυρήνες, χωρίς όμως Ηλεκτρόνια. Η ύλη ακόμα δεν υπήρχε! Η δημιουργία των πρώτων ατόμων της ύλης, συνέβη χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τότε η θερμοκρασία είχε πέσει αρκετά, ώστε να δημιουργηθούν τα πρώτα άτομα ύλης, (Υδρογόνο), όταν τα ηλεκτρόνια συνδέθηκαν γύρω από τους πυρήνες. Και έτη μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, είχαμε τη δημιουργία των πρώτων αστέρων, κβάζαρς και γαλαξιών. Από τη δημιουργία των πρώτων αστέρων και μετά, το Υδρογόνο συντήκεται και με την πάροδο δισεκατομμυρίων ετών, δημιουργεί τα υπόλοιπα 100 περίπου γνωστά στοιχεία της ύλης που υπάρχουν στη φύση. Είναι όμως ακόμα δεσμευμένα στο κέντρο των άστρων. Ένα όμως, τα γερασμένα άστρα εκρήγνυνται, και τα υλικά αυτά α- πλώνονται στο διάστημα ως νεφελώματα. Η δύναμη της βαρύτητας, συμπυκνώνει εκ νέου τα υλικά αυτά, και από τα υπολείμματα των αρχικών άστρων, σχηματίζονται νέα άστρα, αλλά αυτή τη φορά γυρίζουν γύρω τους και πλανήτες που έχουν κάθε είδος ύλης. Ένα από αυτά τα αστρικά συστήματα επόμενης γενιάς, ήταν και το δικό μας, που άρχισε να σχηματίζεται πριν από περίπου έτη. Φαίνεται παράξενο, όμως η ύλη τού σώματός μας, κάποτε βρισκόταν μέσα σε κάποιο άστρο! Στοιχεία από την ανίχνευση τού ηλιακού ανέμου στο διάστημα, δείχνουν ότι η περιοχή τού ηλιακού μας συστήματος επηρεάσθηκε από τουλάχιστον δύο εκρήξεις Υπερκαινοφανών αστέρων, οι οποίες συνέβαλαν στη συμπύκνωση της μεσοαστρικής ύλης, δημιουργώντας το δικό μας ηλιακό σύστημα. Από το σημείο αυτό, αρχίζουμε να μετράμε τις ΜΑΚΡΕΣ περιόδους εκείνες που οι επιστήμονες ονομάζουν "Αιώνες". 27

28 Οι αιώνες αυτοί είναι τρεις, και είναι οι εξής: Αζωικός, καθώς δεν υπήρχε ακόμα στη γη ζωή, (13,7 ως 3,8 δισεκατομμύρια έτη πριν), Κρυπτοζωικός, καθώς η ζωή ήταν ακόμα κρυμμένη στις θάλασσες (3,8 ως 1,25 δισεκατομμύρια έτη πριν), και Φανεροζωικός, καθώς η ζωή άρχισε πλέον να δημιουργείται στην ξηρά, και να μετατρέπεται σε ότι γνωρίζουμε σήμερα (1,25 δισεκατομμύρια έτη πριν, ως σήμερα). Εισηγητής της θεωρίας υπήρξε ο Βέλγος Αββάς και αστρονόμος Ζορζ Λεμαίτρ. Ύστερα από τις διαπιστώσεις ότι: Οι λύσεις της Θεωρίας της σχετικότητας προέβλεπαν ως αρχή του Σύμπαντος μια μαθηματική ανωμαλία. Εφόσον η εντροπία (το μέτρο της αταξίας) του σύμπαντος ολοένα και αυξάνει θα υπήρχε στιγμή στο παρελθόν με ελάχιστη εντροπία όπου η ύλη θα είχε την μέγιστη δυνατή πυκνότητα. Με βάση αυτές τις 2 παρατηρήσεις πρότεινε ως αρχή του σύμπαντος το αρχικό άτομο, όπου ολόκληρη η μάζα του Σύμπαντος είναι συγκεντρωμένη σε 28

29 ένα και μοναδικό σημείο και ο χωρόχρονος δεν έχει ακόμα δημιουργηθεί. Το αρχικό άτομο εν καιρώ εξερράγη και από την ύλη που εκτοξεύτηκε δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες και τα αστέρια. Το 1948 ο Τζορτζ Γκάμοφ (George Gamov), Ρωσοαμερικανός φυσικός, μελετώντας θεωρητικά την υπερβολικά πυκνή κατάσταση του αρχικού ατόμου συμπέρανε ότι: Το Ήλιο και τα άλλα ελαφρά χημικά στοιχεία πρέπει να δημιουργήθηκαν εντός τεσσάρων δευτερολέπτων Μια διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, απομεινάρι της μεγάλης έκρηξης, θα πρέπει να είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμη. Θεωρία της Μεγάλης Εκρήξεως (Big Bang) καλείται η επικρατούσα κοσμολογική υπόδειξη της πρώιμης ανάπτυξης του σύμπαντος, σύμφωνα με την οποία το σύμπαν προήλθε από μια εξαιρετικά καυτή και πυκνή κατάσταση, με ταχύτατους ρυθμούς διαστολής. Οι πιο σημαντικές ενδείξεις ελέγχου οι οποίες επαληθεύουν τα όσα προτείνει η στάνταρτ κοσμολογία απαντώνται κατά τις αρχικές φάσεις της ύπαρξης του Σύμπαντος. Εικασίες της FRW κοσμολογίας που συνδέονται με τη μορφή του Κόσμου από την περίοδο κβαντικής βαρύτητας έως και την αρχική νουκλεοσύνθεση (10-43 sec 10-2 sec) βασίζονται σε θεωρίες αλληλεπιδράσεων εξαιρετικά υψηλών ενεργειών, οι ποίες πλησιάζουν την κλίμακα Planck(10 19 GeV). Στα παρατηρησιακά δεδομένα που τεκμηριώνουν την εγκυρότητα του κοσμολογικού μοντέλου FRW συμπεριλαμβάνονται η διαστολή του σύμπαντος, η σταθερά του Hubble H 0,η παράμετρος επιβράδυνσης q 1, η ηλικία του Σύμπαντος t 1, η πυκνότητα της μάζας ρ 0, η χημική σύνθεση του Σύμπαντος ρ 1 (βαρυόνια, ακτινοβολία κ.τ.λ.), η μικροκυματική ακτινοβολία του υποβάθρου (Microware Backround Radiation MBR), τόσο το φάσμα αυτής της ακτινοβολίας όσο και η κατανομή της στο χώρο. Άλλα στοιχεία στήριξής του αποτελούν η διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία στα μήκη κύματος IR, UV, X-rays, γ-rays, η αφθονία των ελαφρών χημικών στοιχείων, κυρίως του He 4,D 2,Li 7 και He 3, ο αριθμός των βαρυονίων στο Σύμπαν που δίνεται από τον λόγο βαρυόνια/φωτόνια, η κατανομή των γαλαξιών σε σμήνη και υπερσμήνη καθώς και τα «κενά» ανάμεσα στα υπερσμήνη. 29

30 30

31 Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης Η θεωρία της μεγάλης έκρηξης προβλέπει τον τρόπο δημιουργίας και το σχήμα του σύμπαντος. Το Σύμπαν δεν είναι ούτε «άμορφο» ούτε «άπειρο», αλλά έχει πέρατα. Όσο και αν, εκ πρώτης όψεως, αυτό είναι δύσκολα αποδεκτό, γεγονός είναι ότι οι έρευνες της τελευταίας πεντηκονταετίας συγκλίνουν σε αυτήν την άποψη, ότι δηλαδή το Σύμπαν είναι περιορισμένο, είναι «περατό». Πρώτος κατέληξε σε αυτό το συμπέρασμα ο Γερμανοεβραίος φυσικός Άλμπερτ Αϊνστάιν (A. Einstein) ( ), όταν εισηγήθηκε την Θεωρία της σχετικότητας. Έτσι καταλήγουμε να θεωρούμε ότι το σχήμα του Σύμπαντος είναι, το πιθανότερο, υπερσφαιρικό. Μια υπερσφαίρα μπορεί να νοηθεί ως μια σφαίρα της οποίας η α- κτίνα συνεχώς («εν χρόνω») μεταβάλλεται. Με αυτή την έννοια το σχήμα του σύμπαντος στο χωροχρόνο τεσσάρων διαστάσεων λέγεται ότι (σύμφωνα με τις σχετικές θεωρίες) είναι πιθανά υπερσφαιρικό. Τούτο σημαίνει ότι το Σύμπαν μοιάζει με μπαλόνι που συν τω χρόνω διογκώνεται, διαστέλλεται. Αυτή η διαστολή συνεχίζεται από τη δημιουργία του μέχρι σήμερα. Η θεωρία της σχετικότητας αναφέρεται σε τρείς θεωρίες 1 ον στην αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου. 2 ον στην γενική 3 ον στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Α- ϊνστάιν. Η γενική θεωρία μιλάει για θεωρία βαρύτητας που προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, και η οποία περιγράφει την βαρυτική δύναμη μέσω των καμπυλώσεων του χωροχρόνου παρουσία μάζας. 31

32 Το δισδιάστατο ανάλογο παραμόρφωσης του χωροχρόνου. Η παρουσία ύλης αλλάζει τη γεωμετρία του χωροχρόνου, η οποία ερμηνεύεται ως βαρύτητα. Βασική αρχή της θεωρίας είναι η ισοδυναμία των επιταχυνόμενων συστημάτων αναφοράς με συστήματα που ευρίσκονται εντός βαρυτικού πεδίου. Τον Νοέμβριο του 1915, ο Αϊνστάιν παρουσίασε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας σε μια σειρά διαλέξεων ενώπιον της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Η τελευταία διάλεξη προκάλεσε αναστάτωση στον επιστημονικό κόσμο, καθώς ο Αϊνστάιν παρουσίασε μια θεωρία που αντικαθιστούσε την εξήγηση του Ισαάκ Νεύτωνα για τη βαρύτητα. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, η βαρύτητα δεν θεωρείται ως το αποτέλεσμα μιας δύναμης, αλλά οφείλεται στην καμπύλωση του χωροχρόνου, η οποία προκαλείται από την περιεχόμενη στον χωρόχρονο ύλη και ενέργεια. Η ειδική θεωρία μιλάει για η θεωρία που διατυπώθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, και η οποία συμπληρώνει τους νόμους κίνησης του Νεύτωνα, ώστε να ισχύουν και σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας προκύπτει από την ικανοποίηση της γενικευμένης αρχής της σχετικότητας και της αρχής του Αϊνστάιν, σύμφωνα με την οποία η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές, α- νεξάρτητα από τη σχετική τους ταχύτητα. Σύμφωνα με την γενικευμένη αρχή της σχετικότητας, οι φυσικοί νόμοι που ισχύουν σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς (δηλαδή ένα μη επιταχυνόμενο σύστημα), έχουν την ίδια μορφή σε οποιοδήποτε άλλο αδρανειακό σύστημα αναφοράς. Πριν τον Αϊνστάιν, μια πρώτη μορφή της αρχής της σχετικότητας είχε διατυπωθεί ήδη από τον Γαλιλαίο και στη συνέχεια ενσωματώθηκε στη Νευτώνεια σύνθεση. Η αρχή αυτή δήλωνε ότι όλοι οι νόμοι της μηχανικής πρέπει να έχουν την ίδια μορφή σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Η μετάβαση από το ένα αδρανειακό σύστημα στο άλλο γινόταν με ένα ορισμένο είδος μετασχηματισμών συντεταγμένων, που ονομάστηκαν αργότερα μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου ή αλλιώς, νόμος πρόσθεσης ταχυτήτων. Ενώ οι νόμοι της μηχανικής συμμορφώνονταν με τον μετασχηματισμό αυτό (ήταν αναλλοίωτοι κατά την εφαρμογή του), οι νόμοι του Ηλεκτρομαγνητισμού, και ειδικά ο νόμος για την σταθερότητα και παγκοσμιότητα της ταχύτητας του φωτός, τον παραβίαζαν. Ο Αϊνστάιν αντικατέστησε τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου με ένα νέο σύνολο μετασχηματισμών, τους μετασχηματισμούς του Λόρεντζ, και διατύπωσε την Γενικευμένη αρχή της Σχετικότητας, σύμφωνα με την οποία όλοι οι νόμοι της Φύσης (μηχανικής, ηλεκτρομαγνητισμού και όποιοι άλλοι) είναι αναλλοίωτοι κάτω από τους νέους αυτούς μετασχηματισμούς και (πρέπει να) παίρνουν 32

33 την ίδια μορφή σε όλα τα αδρανειακά συστήματα. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας προβλέπει φαινόμενα που αντίκεινται στην καθημερινή μας εμπειρία, ωστόσο έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά σε σειρά πειραμάτων, και επιβεβαιώνεται καθημερινά στους σύγχρονους επιταχυντές σωματιδίων. Η ειδική σχετικότητα συμπληρώθηκε αργότερα από τη γενική σχετικότητα, διατυπωμένη επίσης από τον Αϊνστάιν, που μελετούσε τη βαρύτητα με τον σχετικιστικό φορμαλισμό. Με τη διατύπωση της γενικής σχετικότητας, η Νευτώνεια βαρύτητα έγινε πλέον υποπερίπτωση της σχετικιστικής βαρύτητας, και η κλασική Φυσική ολοκληρώθηκε ως εννοιολογικό πλαίσιο. Η ειδική σχετικότητα είναι μια θεωρία της δομής του χωροχρόνου, την οποία εισήγαγε ο Άλμπερτ Άινσταϊν το Βασίζεται σε δύο αξιώματα τα ο- ποία είναι αντίθετα με την κλασική μηχανική: Οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές που βρίσκονται σε αδρανειακό σύστημα αναφοράς (αρχή σχετικότητας του Γαλιλαίου). Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ίδια για όλους τους παρατηρητές, ανεξαρτήτως της σχετικής τους κίνησης ή της κίνησης της πηγής του φωτός. 33

34 Η γενική σχετικότητα είναι μια θεωρία βαρύτητας που αναπτύχθηκε από τον Άινσταϊν την περίοδο Η ανάπτυξη της γενικής σχετικότητας ξεκίνησε με την αρχή της ισοδυναμίας, σύμφωνα με την οποία οι καταστάσεις επιταχυνόμενης κίνησης και ηρεμίας σε ένα βαρυτικό πεδίο (για παράδειγμα πάνω στην επιφάνεια της Γης) είναι ταυτόσημες. Το αποτέλεσμα της ιδέας αυτής είναι ότι η ελεύθερη πτώση είναι αδρανειακή κίνηση σε μη ευκλείδειο χώρο: Με άλλα λόγια, ένα αντικείμενο σε ελεύθερη πτώση, πέφτει επειδή αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο τα αντικείμενα κινούνται όταν δεν ασκείται πάνω τους δύναμη, αντί να πέφτει λόγω της δύναμης της βαρύτητας, όπως συμβαίνει στην κλασική μηχανική. Αυτό είναι ασύμβατο με την κλασική μηχανική και την ειδική σχετικότητα, επειδή σε αυτές τις θεωρίες αντικείμενα που κινούνται αδρανειακά δε μπορούν να επιταχύνουν το ένα σε σχέση με το άλλο, αλλά αντικείμενα σε ελεύθερη πτώση κάνουν ακριβώς αυτό. Για να λυθεί η δυσκολία, ο Άινσταϊν πρότεινε αρχικά πως ο χωροχρόνος είναι καμπυλωμένος. Το 1915 ανακοίνωσε τις πεδιακές εξισώσεις Άινσταϊν, οι οποίες συσχετίζουν την καμπύλωση του χωροχρόνου σε σχέση με τη μάζα, την ενέργεια και την ορμή μέσα σε αυτόν. Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας: Ο χρόνος περνά διαφορετικά σε χαμηλότερα βαρυτικά δυναμικά. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται βαρυτική διαστολή του χρόνου. Οι τροχιές μεταβάλλονται με τρόπο μη αναμενόμενο από τη θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα. Ακόμα και οι ακτίνες του φωτός (όπου τα φωτόνια δεν έχουν μάζα) αλλάζουν πορεία παρουσία ενός βαρυτικού πεδίου. Ερμηνεύει η διαστολή του Σύμπαντος, και τα μακρινά μέρη του απομακρύνονται από εμάς σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό δεν αντιτίθεται στην ειδική σχετικότητα, καθώς είναι το ίδιο το Σύμπαν το οποίο διαστέλλεται. Η εντροπία είναι η έννοια μέσω της οποίας μετράται η αταξία, της οποίας η μέγιστη τιμή αντικατοπτρίζει την πλήρη αποδιοργάνωση (ομογενοποίηση των πάντων) και ισοδυναμεί με την παύση της ζωής ή αλλιώς της εξέλιξης. Σε μια τέτοια κατάσταση δεν υπάρχει καμία διαδικασία και δε βρίσκεται «σε λήθαργο» (κρυμμένη) κανενός είδους πληροφορία που να επιτρέπει την εξέλιξη (ή τη ζωή) αν με κάποιο τρόπο γίνει εκ νέου παροχή μόνο ενέργειας. Αφαιρώντας την έννοια της πληροφορίας που δεν είναι αντικειμενικά μετρήσιμη (η εντροπία που εξαρτάται από αυτήν είναι επίσης μη αντικειμενικά μετρήσιμη και 34

35 μάλιστα αφήνεται χωρίς μονάδες), προκύπτει μια μορφή εντροπίας που αφορά μόνο θερμικές μεταβολές, υπολογίζεται και είναι σαφώς ορισμένη: η θερμοδυναμική εντροπία. Η θερμοδυναμική εντροπία είναι εκτατική μεταβλητή ενός θερμοδυναμικού συστήματος. Τόσο στην Ειδική Θεωρία Σχετικότητας όσο και στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας, ο χρόνος και ο τρισδιάστατος χώρος θεωρούνται ως μία τετραδιάστατη πολλαπλότητα (manifold), που λέγεται χωροχρόνος. Η έννοια του χωροχρόνου πρωτοεμφανίστηκε το 1908 σε μια μαθηματική πραγματεία του Μινκόφσκι για τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου όπως αυτή είχε ο- ριστεί στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν είχε δημοσιεύσει το 1905 ένα άρθρο που σχετιζόταν με τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού και ονομαζόταν <<Περί της ηλεκτροδυναμικής των εν κινήσει σωμάτων>>. Αυτή η θεωρία προκάλεσε στις αρχές του 20ού αιώνα μια από τις μεγαλύτερες ανατροπές δεδομένων στον κόσμο της φυσικής. Η θεωρία ερμηνεύει πλήρως την διαστολή του σύμπαντος, την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, την κατανομή των γαλαξιών καθώς και την δημιουργία των πρωταρχικών στοιχείων. Αυτά θα αναλυθούν διεξοδικά στην συνέχεια. 35

36 Επιχειρήματα Υπέρ της Θεωρίας Το σύμπαν διαστέλλεται. Το γεγονός ότι οι γαλαξίες υποχωρούν από μας προς όλες τις κατευθύνσεις είναι μια συνέπεια αυτής της αρχικής έκρηξης και ανακαλύφθηκε αρχικά από τον αστρονόμο Hubble. Υπάρχουν τώρα καθαρά στοιχεία (η έντονη μετατόπιση των φασματικών γραμμών των μακρινών γαλαξιών προς το ερυθρό) για το νόμο του Hubble, που λέει ότι η ταχύτητα που απομακρύνεται ένας γαλαξίας είναι ανάλογη προς την απόστασή του από μας. Αν κάνουμε προβολή των μέσων τροχιών των γαλαξιών, χρονικά προς τα πίσω, βλέπουμε ότι συγκλίνουν σε μια κατάσταση υψηλής πυκνότητας - η αρχική πύρινη βολίδα. Το παρατηρούμενο ποσό του ήλιου, που η θεωρία δέχεται πως είναι το 25% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και που σχηματίσθηκε κατά τη διάρκεια των πρώτων-πρώτων στιγμών, συμφωνεί με τις παρατηρήσεις. Μετά από ένα δευτερόλεπτο περίπου το Big Bang, η ύλη - υπό μορφή ε- λεύθερων νετρονίων και πρωτονίων - ήταν πολύ θερμή και πυκνή. Καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, η θερμοκρασία έπεσε και μερικά από αυτά νουκλεόνια συνέθεσαν ελαφρά στοιχεία: το δευτέριο, το ήλιο-3, και το ήλιο- 4. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί προβλέπουν ότι το ένα τέταρτο του σύμπαντος αποτελείται από ήλιο-4, ένα αποτέλεσμα που είναι σε καλή συμφωνία με τις παρούσες παρατηρήσεις. Η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, η οποία τώρα βρίσκεται σε μια θερμοκρασία περίπου 2.7 βαθμών πάνω από απόλυτο μηδέν, που δείχνει πως το Σύμπαν προέρχεται από μια πυκνή, ισοθερμική κατάσταση. Περίπου έτη μετά από το Big Bang, η θερμοκρασία του Σύμπαντος (~3.000 βαθμοί) είχε μειωθεί αρκετά ώστε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι πυρήνες που υπήρχαν μπόρεσαν να συνδυαστούν έτσι ώστε να σχηματίσουν τα άτομα του υδρογόνου (τα πιο απλά άτομα). Από αυτήν την περίοδο και μετά, η ακτινοβολία ήταν πρακτικά ανίκανη να αλληλεπιδράσει με το αέριο του υποβάθρου. Χωρίς όμως ελεύθερα ηλεκτρόνια το φως δεν μπορούσε να αλληλεπιδράσει με την ύλη για να διασκεδαστούν (scattering) τα φωτόνια, κι έτσι το Σύμπαν έγινε διαφανές στην ακτινοβολία. (Είναι αυτό το φως που θεωρούμε σήμερα ως Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου). Διαδίδεται λοιπόν ελεύθερα από τότε, χάνοντας συνεχώς ενέργεια επειδή το μήκος κύματός του αυξάνεται λόγω διαστολής του 36

37 σύμπαντος. Αρχικά, η θερμοκρασία της Κοσμικής Ακτινοβολίας ήταν περίπου βαθμοί, ενώ σήμερα έχει πέσει στους 3K μόνο - ένα φάντασμα της αφάνταστης έντονης θερμότητας της αρχέγονης πύρινης βολίδας του Big Bang. Η κατάρρευση της ύλης για να σχηματίσει τους γαλαξίες και τις άλλες μεγάλης κλίμακας δομές (σμήνη και υπερσμήνη) που παρατηρούνται στον κόσμο σήμερα. Σε, περίπου, έτη μετά από το Big Bang, η θερμοκρασία είχε πέσει σε τέτοιο βαθμό ώστε η ενεργειακή πυκνότητα του σύμπαντος άρχισε να εξουσιάζεται από την ύλη πιά, παρά από το φως και την υπόλοιπη ακτινοβολία που κυριαρχούσαν νωρίτερα. Οι βαρυτικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων άρχισαν να γίνονται υπολογίσιμες, και μικρές διαταραχές στην πυκνότητά της ύλης αυξήθηκαν. Δέκα πέντε δισεκατομμύρια έτη αργότερα βλέπουμε τα αποτελέσματα αυτής της κατάρρευσης. Το παράδοξο του Olbers. Ο νυκτερινός ουρανός είναι σκοτεινός. Άρα δεν είναι άπειρος ο αριθμός των αστεριών (το σύμπαν δεν είναι άπειρο αλλά πεπερασμένο) ούτε χρονικά άπειρο (άρα το φως πολλών αστεριών δεν έχει φθάσει ακόμη σε μας). Η ομοιογένεια - τα δεδομένα δείχνουν πως σε οποιαδήποτε θέση μέσα στο Σύμπαν ένας παρατηρητής θα το βλέπει το ίδιο. Η ισοτροπία - πολύ ισχυρά δεδομένα δείχνουν πως ο ουρανός φαίνεται ο ίδιος σε όλες τις διευθύνσεις με μια ακρίβεια 1 προς Χρονική διαστολή σε καμπυλώσεις του φωτός των supernova. Η μεταβολή της θερμοκρασίας TCMB με μετατόπιση στο ερυθρό. Αυτή είναι μια ευθεία παρατήρηση της εξέλιξης του Σύμπαντος. Τα ελαφρά ισότοπα δευτέριο 2D, 3He ήλιο-3, 4He ήλιο-4, και 7Li λίθιο-7 βρίσκονται σε αφθονία. Αυτό προβλέπεται από τη θεωρία των 3 πρώτων λεπτών. 37

38 Επιχειρήματα κατά της Θεωρίας Το απλό μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης αφήνει διάφορα εκκρεμή προβλήματα, όπως: Το πρόβλημα του ορίζοντα -- ο γρίφος ότι το Σύμπαν φαίνεται το ίδιο στις αντίθετες πλευρές του ουρανού (σε αντίθετα σημεία του ορίζοντα) ακόμα κι αν δεν έχει υπάρξει χρόνος, από την εποχή το Big Bang για το φως (ή οτιδήποτε άλλο) να ταξιδεύσει από τη μια άκρη στην άλλη του σύμπαντος και να επιστρέψει. Στην πρότυπη μορφή της, η θεωρία του Big Bang υποθέτει ότι όλα τα μέρη του σύμπαντος άρχισαν να διαστέλλονται ταυτόχρονα. Και η ερώτηση που μπαίνει είναι, πώς μπόρεσαν όλα τα διαφορετικά μέρη του σύμπαντος να συγχρονίσουν το ξεκίνημα της διαστολής τους; Πώς τα αντίθετα σημεία των ορίζοντων "ξέρουν" πώς να βρίσκονται σε συμφωνία το ένα με το άλλο; Το πρόβλημα επιπεδότητας - Ο χωρόχρονος του σύμπαντος είναι αρκετά σχεδόν επίπεδος, το οποίο σημαίνει ότι το σύμπαν βρίσκεται ακριβώς στη διαχωριστική γραμμή μεταξύ της αιώνιας διαστολής και της ενδεχόμενης κατάρρευσης. Η Γενική Σχετικότητα προτείνει ότι ο χώρος μπορεί να είναι πολύ κυρτός, με μια τυπική ακτίνα της τάξεως του μήκους Planck, ή cm. Εντούτοις, το σύμπαν μας είναι ακριβώς περίπου επίπεδος με μια κλίμακα 1028 εκατοστά, την ακτίνα του αισθητού μέρους του σύμπαντος. Αυτό το αποτέλεσμα των παρατηρήσεων μας διαφέρει από τις θεωρητικές προσδοκίες περισσότερο από 60 μεγέθη τάξεως. Η ύπαρξη της Μεγάλης Έκρηξης. Τι υπήρχε πριν; Εάν ο χωρόχρονος δεν υπήρχε τότε, πώς θα μπορούσαν όλα να εμφανιστούν από το τίποτα; Τι ξεπήδησε πρώτα: ο κόσμος ή οι νόμοι που καθορίζουν την εξέλιξή του; Εξηγώντας αυτή την αρχική ιδιομορφία --που και πότε όλα αυτά άρχισαν- - ακόμη παραμένει το πιο δυσεπίλυτο πρόβλημα της σύγχρονης κοσμολογίας. Η κατανομή της ύλης στο σύμπαν. Σε πολύ μεγάλη κλίμακα, η ύλη έχει ξεπηδήσει με αξιοπρόσεκτη ομοιομορφία. Για περισσότερο από 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός, η κατανομή της βρίσκεται σε τέλεια ομοιογένεια για κάτι λιγότερο από ένα μέρος σε Για πολύ καιρό, κανένας δεν είχε οποιαδήποτε ιδέα γιατί το σύμπαν ήταν τόσο ομοιογενής. Ένας 38

39 από τους ακρογωνιαίους λίθους της Καθιερωμένης Κοσμολογίας ήταν η "κοσμολογική αρχή," που βεβαιώνει ότι το σύμπαν πρέπει να είναι ομοιογενές. Αυτή η υπόθεση, εντούτοις, δεν βοηθά και πολύ, επειδή το σύμπαν ενσωματώνει σημαντικές αποκλίσεις από την ομοιογένεια, δηλαδή, τα αστέρια, τους γαλαξίες και άλλες μεγάλες συσσωρεύσεις της ύλης. Ως εκ τούτου, πρέπει να εξηγήσουμε γιατί το σύμπαν είναι τόσο ομοιόμορφο στις μεγάλες κλίμακες και να προτείνουμε συγχρόνως κάποιο μηχανισμό που να παράγει τους γαλαξίες. Το πρόβλημα της μοναδικότητας. Μικρές αλλαγές στις φυσικές σταθερές της φύσης θα μπορούσαν να είχαν κάνει τον κόσμο να "ξετυλιχθεί" κατά τρόπο απολύτως διαφορετικό. Παραδείγματος χάριν, πολλές δημοφιλείς θεωρίες των στοιχειωδών σωματιδίων υποθέτουν ότι ο χωρόχρονος είχε αρχικά αρκετά περισσότερες από τέσσερις διαστάσεις (τρεις χωρικές και μια χρονική). Προκειμένου να τακτοποιηθούν οι θεωρητικοί υπολογισμοί με το φυσικό κόσμο στον οποίο ζούμε, αυτά τα μοντέλα δηλώνουν ότι οι πρόσθετες διαστάσεις είναι "συμπυκνωμένες", ή έχουν στενέψει σε ένα μικρό μέγεθος και έχουν πτυχωθεί. Αλλά κάποιος βέβαια μπορεί να αναρωτηθεί γιατί η "συμπύκνωση" αυτών των διαστάσεων σταμάτησε με τέσσερις διαστάσεις, κι όχι δύο ή πέντε. Το πρόβλημα της ελλείπουσας ή σκοτεινής ή αθέατης ύλης. Πρέπει όμως να τονιστεί επίσης πως το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης δεν μπορεί να αντιμετωπίσει το εξής πρόβλημα. Γιατί η παρατηρούμενη μάζα του Σύμπαντος είναι δέκα φορές μικρότερη της εκτιμούμενης βάσει των κινήσεων των Γαλαξιών; Η απουσία των μαγνητικών μονοπόλων. Ενώ πιστεύεται πως υπήρξαν κάποτε δεν έχει παρατηρηθεί ακόμη κανένα. 39

40 Επιστήμονες και Πατέρες της Εκκλησίας σχετικά με το Big Bang Οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι προσπαθούσαν να απαντήσουν στο ερώτημα πώς δημιουργήθηκε και υπάρχει ο κόσμος και, όπως λέγει ο Χάϊντεγκερ, ερωτούσαν «γιατί υπάρχει ο κόσμος και όχι το τίποτα». Μπορούμε να δούμε δύο γενικές απαντήσεις που δόθηκαν για το θέμα αυτό. Μερικοί προσωκρατικοί φιλόσοφοι, όπως οι λεγόμενοι Ίωνες φυσικοί (Θαλής, Αναξίμανδρος, Αναξιμένης), που είναι «εισηγητές της λογικής, αμυθολόγητης κοσμοερμηνείας», μιλούσαν για την ύπαρξη της ύλης από την οποία δημιουργήθηκε ο κόσμος, η οποία ύλη έχει μέσα της δύναμη, οπότε «ύλη και δύναμη είναι ένα» και «η ενέργειά της μηχανική». Οπότε, ο κόσμος, κατά την ιωνική αντίληψη «είναι υλικός και μηχανικός». Αυτή η «ιωνική φυσική», «η φυσιολογία», όπως έλεγαν οι αρχαίοι Έλληνες, «έχει βάση τον ντετερμινισμό» (Χαράλαμπος Θεοδωρίδης). Άλλοι, οι μεταφυσικοί φιλόσοφοι, όπως ο Πλάτων, ανέπτυξε την θεωρία των ιδεών, ότι όλα τα όντα είναι αντίγραφα των ιδεών που υπήρχαν στον νού του ανώτατου όντος, του Θεού, ο δε Αριστοτέλης έκανε λόγο για το «πρώτον ακίνητον κινούν». Οι Πατέρες της Εκκλησίας, μελέτησαν τα σχετικά με την δημιουργία του κόσμου με θεολογικό λόγο. Αρνήθηκαν και τον υλισμό και την μεταφυσική. Έτσι, στις δύο αυτές φιλοσοφικές κατευθύνσεις «εν αρχή ήν η ύλη» και «εν αρχή ήν η ιδέα», αντιπαρέθεσαν το «εν αρχή ήν ο Λόγος». Σύγχρονοι επιστήμονες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, ερμηνεύοντας τις νέες ανακαλύψεις. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν εκείνοι που αποδέχονται κάποια δύναμη που βρίσκεται έξω από τον χώρο και τον χρόνο, η οποία δημιούργησε τον κόσμο. Στην δεύτερη κατηγορία είναι οι αγνωστικιστές και οι άθεοι που ερμηνεύουν την δημιουργία του κόσμου χωρίς να πιστεύουν στην ύπαρξη του Θεού. Πρόσφατα διάβασα τις απόψεις ενός επιστήμονος που έλεγε: «Είμαστε μια ανακατανομή του τίποτα». Επίσης έλεγε ότι η «Μεγάλη εικόνα» πού έχουμε σήμερα για την εμφάνιση κι εξέλιξη του σύμπαντος σε συνδυασμό με την δαρβινική εξέλιξη των ειδών «ελευθερώνει τον άνθρωπο από πολλά θεμελιώδη και υπαρξιακά ερωτήματα που τον απασχολούν από τότε που υπάρχει» (Δ. Νανόπουλος). 40

41 Πάντως, κατά τους Πατέρας, οι επιστήμονες μπορούν να ερευνούν τον κόσμο, να εξετάζουν από τι αποτελείται, πώς έγινε, αλλά δεν μπορούν να εισέρχονται σε άλλα πεδία, δηλαδή της ύπαρξης ή μη του Θεού. Άλλωστε, άλλο είναι το έργο της επιστήμης και άλλο το έργο της ορθόδοξης θεολογίας και δεν πρέπει να υπάρχει σύγκρουση ή σύγχυση μεταξύ τους. Η επιστήμη ερευνά τον κτιστό κόσμο, την ύλη, τα άτομα, τα μόρια, τα πρωτόνια, τα σωματίδια, το κύτταρο, τα γονίδια κλπ. ενώ η θεολογία, που είναι εμπειρία, ασχολείται με το πώς ο άνθρωπος θα γνωρίσει τον Θεό-πρόσωπο με τις άκτιστες ενέργειές Του. Η επιστήμη προχωρεί σε διάφορες ανακαλύψεις οι οποίες πρέπει να ω- φελούν και να μη βλάπτουν τους ανθρώπους, και η ορθόδοξη θεολογία δίνει απαντήσεις στις πνευματικές αναζητήσεις του ανθρώπου. Επομένως, η επιστήμη προσπαθεί να δώσει μια ερμηνεία για την δημιουργία και την σύσταση του κόσμου, αλλά εκείνο που έχει μεγάλη σημασία είναι ποιός δημιούργησε τον κόσμο και τον άνθρωπο. 41