To σύμπαν του Αϊνστάιν


Η θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα χρησιμοποιείται ευρέως ακόμη και σήμερα, προκειμένου να υπολογιστούν σχεδόν τα πάντα: από την πτήση μιας μπάλας του τένις μέχρι τις δυνάμεις που ασκούνται σε μια κρεμαστή γέφυρα, από την ταλάντωση ενός εκκρεμούς μέχρι την τροχιά ενός βλήματος. Ο τύπος του Νεύτωνα παραμένει εξαιρετικά ακριβής όταν εφαρμοστεί σε φαινόμενα που συμβαίνουν εντός του βασιλείου της γήινης βαρύτητας, όπου οι δυνάμεις είναι συγκριτικά ασθενείς.

Ωστόσο, η θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα αποδείχθηκε καλύτερη επειδή μπορούσε να εφαρμοστεί εξίσου τόσο στο ασθενούς βαρύτητας περιβάλλον της Γης όσο και στο τεράστιας βαρύτητας περιβάλλον των αστέρων. Αν και η θεωρία του Αϊνστάιν ήταν ανώτερη εκείνης του Νεύτωνα, ο δημιουργός της γενικής σχετικότητας πρόλαβε να εξυμνήσει το γίγαντα του δέκατου έβδομου αιώνα, στους ώμους του οποίου είχε σταθεί: «Ανακάλυψες εκείνον το μοναδικό δρόμο που, στην εποχή σου, μόνο κάποιος με δημιουργικό και οξύ πνεύμα θα μπορούσε να ανακαλύψει».

Το ταξίδι που μας έφερε μέχρι τη θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα ήταν αρκετά περιπετειώδες. Είδαμε τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, την απόρριψη του αιθέρα, τη σχετικότητα του Γαλιλαίου, την ειδική σχετικότητα και, τέλος, τη γενική σχετικότητα. Μετά από όλη αυτή τη δαιδαλώδη πορεία αυτής της ιστορίας, το μόνο πραγματικά σημαντικό σημείο που αξίζει να θυμάστε είναι ότι οι αστρονόμοι διέθεταν πλέον μια νέα και βελτιωμένη θεωρία για τη βαρύτητα η οποία ήταν ακριβής και αξιόπιστη.

Η κατανόηση της βαρύτητας είναι κρίσιμη για την αστρονομία και την κοσμολογία, επειδή η βαρύτητα είναι η δύναμη που διέπει τις κινήσεις και τις αλληλεπιδράσεις όλων των ουράνιων σωμάτων. Η βαρύτητα υπαγορεύει το αν ένας αστεροειδής θα συγκρουστεί με τη Γη ή αν θα περάσει ακίνδυνα δίπλα της. Καθορίζει τον τρόπο που δύο αστέρες περιφέρονται ο ένας γύρω από τον άλλο σε ένα διπλό αστρικό σύστημα. Εξηγεί γιατί ένας αστέρας με εξαιρετικά μεγάλη μάζα θα μπορούσε ενδεχομένως να καταρρεύσει λόγω του βάρους του και να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα.

Ο Αϊνστάιν αγωνιούσε να δει πώς θα επηρέαζε την κατανόησή μας για το σύμπαν η νέα θεωρία του, κι έτσι το Φεβρουάριο του 1917 έγραψε μια επιστημονική εργασία με τίτλο «Κοσμολογικές θεωρήσεις για τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας». Η λέξη κλειδί στον τίτλο ήταν το «κοσμολογικές». Ο Αϊνστάιν δεν ενδιαφερόταν πια για τη μετατοπιζόμενη τροχιά του Ερμή ή τον τρόπο που ο Ήλιος έκανε το αστρικό φως να αποκλίνει, αλλά αντίθετα είχε επικεντρωθεί στο ρόλο της βαρύτητας στη μεγάλη κοσμική κλίμακα.

Ο Αϊνστάιν επιθυμούσε να κατανοήσει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις ολόκληρου του σύμπαντος. Όταν ο Κοπέρνικος, ο Κεπλερ και ο Γαλιλαίος διατύπωναν το όραμά τους για το σύμπαν εστίασαν την προσοχή τους, ουσιαστικά, στο Ηλιακό Σύστημα. Αντίθετα, ο Αϊνστάιν ενδιαφερόταν πραγματικά για ολόκληρο το σύμπαν, όσο πιο μακριά μπορούσε να δει ένα τηλεσκόπιο και ακόμη πιο πέρα. Αφού δημοσίευσε αυτή την εργασία, ο Αϊνστάιν σχολίασε:


«Η πνευματική κατάσταση που βοηθά σε μια τέτοιου είδους εργασία·.. είναι συγγενική με εκείνη του προσκυνητή ή του εραστή.

Η καθημερινή προσπάθεια δεν προέρχεται από μια εσκεμμένη πρόθεση ή πρόγραμμα, αλλά έρχεται κατευθείαν από την καρδιά».

Προκειμένου να προβλέψουμε τη συμπεριφορά της τροχιάς του Ερμή, δεν χρειαζόμαστε τίποτε περισσότερο από έναν τύπο βαρύτητας, την εισαγωγή των τιμών λίγων συγκεκριμένων μαζών και αποστάσεων και, τέλος, τη διεξαγωγή ενός υπολογισμού. Τι γίνεται όμως, εάν θέλουμε να κάνουμε το ίδιο για ολόκληρο το σύμπαν; Πώς θα λάβουμε υπόψη όλους τους αστέρες και τους πλανήτες, γνωστούς και άγνωστους; Αναμφισβήτητα, κάτι τέτοιο μοιάζει με παράλογη φιλοδοξία, όμως, είμαστε πράγματι σίγουροι ότι ένας τέτοιος υπολογισμός είναι αδύνατος; Ο Αϊνστάιν περιόρισε το στόχο του σε ένα εφικτό επίπεδο κάνοντας μία μόνο υπόθεση που απλοποιούσε το σύμπαν.

Η υπόθεση του Αϊνστάιν είναι γνωστή ως κοσμολογική αρχή, και σύμφωνα μ’ αυτή το σύμπαν είναι παντού περίπου το ίδιο. Πιο συγκεκριμένα, η αρχή υποθέτει ότι το σύμπαν είναι ισότροπο, που σημαίνει ότι μοιάζει το ίδιο προς κάθε κατεύθυνση – δηλαδή όπως ακριβώς το βλέπουν οι αστρονόμοι που παρατηρούν το αχανές διάστημα. Η κοσμολογική αρχή υποθέτει επίσης ότι το σύμπαν είναι ομογενές, που σημαίνει ότι μοιάζει το ίδιο όπου και να βρισκόμαστε, δηλαδή, η Γη δεν καταλαμβάνει ιδιαίτερη θέση σ’ αυτό.

Όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε τη γενική σχετικότητα και τον τύπο του για τη βαρύτητα στο σύμπαν ως όλον, ξαφνιάστηκε και απογοητεύτηκε από την πρόβλεψη της θεωρίας για τον τρόπο λειτουργίας του σύμπαντος. Αυτό που ανακάλυψε υποδείκνυε ότι το σύμπαν ήταν απειλητικά ασταθές. Ο τύπος του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα έδειχνε ότι κάθε αντικείμενο στο σύμπαν έλκεται προς κάθε άλλο αντικείμενο στο πλαίσιο αυτής της κοσμικής κλίμακας.

Η έλξη όλων των αντικειμένων μεταξύ τους θα προκαλούσε μια απίστευτη κίνηση, η οποία θα άρχιζε ως σταθερή ολίσθηση, αλλά σταδιακά θα μετατρεπόταν σε καταιγισμό, όπου τα πάντα θα οδηγούνταν σε μία τρομερή σύνθλιψη — το σύμπαν ήταν προφανώς καταδικασμένο να αυτοκαταστραφεί. Αν επιστρέψουμε στο ανάλογο με το τραμπολίνο για την υφή του χωροχρόνου, μπορούμε να φανταστούμε ένα γιγαντιαίο ελαστικό σεντόνι κατειλημμένο από αρκετές μπάλες του μπόουλινγκ, όπου η καθεμιά από αυτές δημιουργεί τη δική της κοιλότητα. Αργά ή γρήγορα, δύο από αυτές τις μπάλες θα κυλήσουν η μία προς την κοιλότητα της άλλης και θα σχηματίσουν μία ακόμη βαθύτερη κοιλότητα, η οποία με τη σειρά της θα έλξει τις υπόλοιπες μπάλες, μέχρι που τελικά όλες να βρεθούν σε ένα και μοναδικό απύθμενου βάθους πηγάδι.

Αυτό το αποτέλεσμα ήταν εξωφρενικό. Στις αρχές του εικοστού αιώνα το επιστημονικό κατεστημένο ήταν πεπεισμένο πως το σύμπαν ήταν στατικό και αιώνιο και όχι συστελλόμενο και προσωρινό. Όπως ήταν αναμενόμενο, η ‘έννοια ενός σύμπαντος υπό κατάρρευση δεν άρεσε καθόλου στον Αϊνστάιν:

«Η παραδοχή μιας τέτοιας πιθανότητας μοιάζει παράλογη».

Παρ’ ότι η θεωρία του Ισαάκ Νεύτωνα για τη βαρύτητα ήταν διαφορετική, προέβλεπε επίσης ένα σύμπαν που θα κατέρρεε, και ο Νεύτωνας είχε προβληματιστεί από αυτή τη συνέπεια της θεωρίας του. Μία από τις λύσεις ήταν η θεώρηση ενός άπειρου, συμμετρικού σύμπαντος, στο οποίο κάθε αντικείμενο θα ελκόταν εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις, και δεν θα υπήρχε καμία συνολική κίνηση ούτε κατάρρευση.

Δυστυχώς, ο Νεύτωνας συνειδητοποίησε γρήγορα ότι ακόμη κι αυτό το προσεκτικά ισορροπημένο σύμπαν θα ήταν ασταθές. Ένα άπειρο σύμπαν θα μπορούσε θεωρητικά να υπάρχει σε κατάσταση ισορροπίας, αλλά στην πράξη ακόμα και η πιο μικρή διαταραχή θα ανέτρεπε τη βαρυτική ισορροπία και θα οδηγούσε σε καταστροφή. Για παράδειγμα, ένας κομήτης που θα διέσχιζε το Ηλιακό Σύστημα θα δημιουργούσε τη στιγμιαία αύξηση της πυκνότητας μάζας σε κάθε τμήμα του χώρου από τον οποίο θα διερχόταν, έλκοντας περισσότερη ύλη προς εκείνες τις περιοχές και δίνοντας έτσι το έναυσμα για τη διαδικασία της ολικής κατάρρευσης. Ακόμη και η αλλαγή σελίδας σε ένα βιβλίο θα μπορούσε να διαταράξει την ισορροπία του σύμπαντος και, με την πάροδο αρκετού χρόνου, αυτό θα πυροδοτούσε επίσης μια κατακλυσμιαία κατάρρευση.

Για την επίλυση του προβλήματος, ο Νεύτωνας πρότεινε ότι ο Θεός παρενέβαινε περιστασιακά για να διατηρούνται οι αποστάσεις μεταξύ των αστέρων και των υπόλοιπων ουράνιων σωμάτων.

Ο Αϊνστάιν δεν ήταν έτοιμος να αναγνωρίσει κάποια θεϊκή παρέμβαση για τη συγκράτηση των ουράνιων σωμάτων στις θέσεις τους, αλλά την ίδια στιγμή αγωνιούσε να βρει έναν τρόπο να διατηρήσει ένα αιώνιο και στατικό σύμπαν σε συμφωνία με τις επιστημονικές παραδοχές. Αφού επανεξέτασε τη θεωρία του για τη γενική σχετικότητα, ανακάλυψε ένα μαθηματικό τέχνασμα που θα διέσωζε το σύμπαν από την κατάρρευση.

Ο Αϊνστάιν είδε ότι ο τύπος του για τη βαρύτητα μπορούσε να προσαρμοστεί ώστε να περιλαμβάνει ένα νέο χαρακτηριστικό, γνωστό ως κοσμολογική σταθερά. Αυτή προσέδιδε στον κενό χώρο μια εγγενή πίεση που ωθούσε τα συστατικά του σύμπαντος σε μια (μεταξύ τους) απομάκρυνση. Με άλλα λόγια, η κοσμολογική σταθερά προκαλούσε τη δημιουργία μιας νέας απωστικής δύναμης σε ολόκληρο το σύμπαν, η οποία ουσιαστικά λειτουργούσε αντίθετα προς τη βαρυτική έλξη όλων των αστέρων. Αυτή η δύναμη ήταν ένα είδος αντι-βαρύτητας, η ισχύς της οποίας εξαρτιόταν από την τιμή που έπαιρνε η σταθερά (η οποία θεωρητικά μπορούσε να πάρει οποιαδήποτε τιμή). Ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι με προσεκτική επιλογή της τιμής της κοσμολογικής σταθερός θα μπορούσε να αντισταθμίσει τη συμβατική βαρυτική έλξη και να εμποδίσει την κατάρρευση του σύμπαντος.

Πρέπει να σημειώσουμε ότι αυτή η αντι-βαρύτητα ήταν σημαντική για τις μεγάλες κοσμικές αποστάσεις, αλλά αμελητέα για τις μικρότερες. Συνεπώς, δεν διατάρασσε την αποδεδειγμένη ικανότητα της γενικής σχετικότητας να μοντελοποιεί με επιτυχία τη βαρύτητα στις σχετικά οικείες γήινες ή αστρικές κλίμακες. Με λίγα λόγια, ο αναθεωρημένος τύπος του Αϊνστάιν για τη γενική σχετικότητα μπορούσε να διεκδικήσει τρεις ξεχωριστές επιτυχίες αναφορικά με την περιγραφή της βαρύτητας. Μπορούσε:

  1. να εξηγήσει ένα στατικό, αιώνιο σύμπαν,
  2. να μιμηθεί όλες τις νευτώνειες επιτυχίες σε περιβάλλον ασθενούς βαρύτητας (π.χ., Γη),
  3. να επιτύχει σε συνθήκες υψηλής βαρύτητας (π.χ., Ερμής), όπου ο Νεύτωνας απέτυχε.

Πολλοί κοσμολόγοι ήταν ικανοποιημένοι με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν, επειδή έμοιαζε να δίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα και να καθιστά τη γενική σχετικότητα συμβατή με ένα στατικό, αιώνιο σύμπαν. Όμως κανείς δεν είχε την παραμικρή ιδέα για το τι πραγματικά αναπαριστούσε αυτή η κοσμολογική σταθερά. Κατά κάποιο τρόπο, το τέχνασμα με την κοσμολογική σταθερά έμοιαζε με τους επίκυκλους του Πτολεμαίου, στο βαθμό που ήταν μια ad hoc προσθήκη η οποία επέτρεπε στον Αϊνστάιν να αποκτήσει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Ακόμη και ο ίδιος ο Αϊνστάιν παραδέχτηκε συνεσταλμένα ότι έτσι είχαν τα πράγματα, όταν ομολόγησε ότι η κοσμολογική σταθερά ήταν «απαραίτητη μόνο για να καταστεί η κατανομή της ύλης ημι-στατική». Με άλλα λόγια, ήταν απλώς μια επινόηση του Αϊνστάιν για να πάρει το αναμενόμενο αποτέλεσμα, δηλαδή ένα ευσταθές και αιώνιο σύμπαν.

Ο Αϊνστάιν παραδέχτηκε επίσης ότι έβρισκε την κοσμολογική σταθερά άσχημη. Μιλώντας για το ρόλο της στη γενική σχετικότητα, είπε κάποτε ότι ήταν «σοβαρά επιζήμια στην τυπολογική ομορφιά της θεωρίας». Αυτό ήταν πρόβλημα, επειδή οι φυσικοί, κατά τη διατύπωση θεωριών, έχουν συχνά ως κίνητρο την επιθυμία τους για ομορφιά. Οι νόμοι της φύσης πρέπει να είναι κομψοί, απλοί και αρμονικοί. Αυτοί οι παράγοντες γίνονται εξαιρετικοί οδηγοί για τους φυσικούς, δείχνοντας το σωστό δρόμο και απομακρύνοντας τους από εσφαλμένους νόμους.

Η ομορφιά είναι δύσκολο να οριστεί, όμως όταν τη δούμε την αναγνωρίζουμε αμέσως- ο Αϊνστάιν μόλις κοίταξε την κοσμολογική σταθερά του, παραδέχθηκε ότι δεν ήταν και τόσο όμορφη. Παρ’ όλα αυτά, ήταν έτοιμος να θυσιάσει ως ένα βαθμό την ομορφιά του τύπου του, επειδή επέτρεπε στη θεωρία της γενικής σχετικότητας να φιλοξενήσει ένα αιώνιο σύμπαν, δηλαδή ακριβώς ό,τι ζητούσε η επιστημονική ορθοδοξία.

Simon SinghBig Bang

Αντικλείδι , http://antikleidi.com

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -