Σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρία, ο χώρος διαστέλλεται συνεχώς σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού. Μέσα σε μια ώρα το σύμπαν φαίνεται να επεκτείνεται, καλύπτοντας χώρο ίσαμε 720 γαλαξίες. Αλλά τώρα ένας κοσμολόγος προτείνει μια διαφορετική ερμηνεία του φαινομένου.
ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ ξεκίνησε με τη Μεγάλη Έκρηξη και από τότε επεκτείνεται διαρκώς. Για σχεδόν έναν αιώνα, αυτή ήταν η κύρια θέση των επιστημόνων. Τώρα, ένας κοσμολόγος, ο Κριστόφ Βέτεριχ, προτείνει μια διαφορετική ερμηνεία, σύμφωνα με την οποία η διαστολή του σύμπαντος δεν υφίσταται.Σε μια εργασία του που δημοσιεύτηκε στο preprint arXiv, ο Βέτεριχ, θεωρητικός φυσικός του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης, έχει επινοήσει μια διαφορετική κοσμολογία σύμφωνα με την οποία το σύμπαν δεν διαστέλλεται, αλλά η μάζα των πάντων έχει αυξηθεί. Η θέση του αυτή, όπως λέει ο ίδιος, θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν μερικά δυσεπίλυτα προβλήματα, όπως η Κοσμογονική ή Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) που δημιούργησε το σύμπαν.
Όπως αναφέρει το επιστημονικό περιοδικό Nature, παρά το γεγονός ότι η θέση αυτή του Βέτεριχ δεν έχει ακόμα μελετηθεί, κανένας από τους επιστήμονες δεν την έχει απορρίψει εξαρχής ως λανθασμένη. Αντίθετα, μερικοί βρήκαν την ιδέα ενδιαφέρουσα. «Νομίζω ότι θα ήταν συναρπαστικό να εξερευνήσουμε αυτή την εναλλακτική πρόταση», λέει ο Χονγκσένγκ Ζάο, κοσμολόγος του Πανεπιστημίου Σαιντ Άντριους στη Σκοτία.
Το φαινόμενο Ντόπλερ
Οι αστρονόμοι έχουν ένα σύστημα για να βλέπουν αν τα ουράνια σώματα απομακρύνονται ή όχι από τη Γη, αναλύοντας το φως που εκπέμπουν ή απορροφούν τα άτομά τους, το οποίο φτάνει σ’ εμάς με χαρακτηριστικά χρώματα, ή συχνότητες. Όταν ένα σώμα κινείται μακριά από εμάς, αυτές οι συχνότητες μετατοπίζονται προς το ερυθρό, ή χαμηλής συχνότητας, τμήμα του φάσματος.
Το πρώτο (από κάτω) φάσμα ανήκει σε μια εργαστηριακή πηγή. Όσο πιο πάνω πηγαίνουμε συναντάμε φάσματα από πιο μακρινούς γαλαξίες. Σε όλα τα φάσματα εμφανίζονται οι σκοτεινές γραμμές απορρόφησης. Παρατηρούμε ότι στο φως των πιο απομακρυσμένων άστρων και γαλαξιών, οι γραμμές απορρόφησης που οφείλονται σε συγκεκριμένο στοιχείο, είναι όλο και περισσότερο μετατοπισμένες προς το ερυθρό.
Γιατί συμβαίνει αυτό; Εδώ υπεισέρχεται το φαινόμενο Ντόπλερ. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό το μήκος κύματος (και η συχνότητα) ενός κύματος μεταβάλλεται ανάλογα με τη σχετική ταχύτητα μεταξύ πηγής και παρατηρητή. (Ο ήχος της σειρήνας ενός ασθενοφόρου που ακούμε όταν αυτό μας πλησιάζει, είναι διαφορετικός από τον ήχο που ακούμε όταν μας προσπεράσει.) Οι μετατοπισμένες γραμμές απορρόφησης που παρατηρούνται στο φως απομακρυσμένων γαλαξιών, οφείλονται στο γεγονός ότι οι πηγές αυτού του φωτός –οι γαλαξίες– απομακρύνονται από μας. Το μήκος κύματος (και η συχνότητα) του φωτός αλλάζει εξαιτίας της ταχύτητας απομάκρυνσης των γαλαξιών. Μετρώντας το μήκος αυτής της «μετατόπισης» –τη μεταβολή δηλαδή του μήκους κύματος της πηγής– ο νόμος του Ντόπλερ υπολογίζει την ταχύτητα απομάκρυνσης.
Οι ανακαλύψεις αυτές έγιναν τη δεκαετία του 1920, όταν αστρονόμοι όπως ο Ζορζ Λεμαίτρ και ο Έντουιν Χαμπλ, διαπίστωσαν ότι οι περισσότεροι γαλαξίες μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του φάσματος και ότι η μετατόπιση αυτή είναι μεγαλύτερη όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας. Από τις παρατηρήσεις αυτές βγήκε το συμπέρασμα ότι το σύμπαν διαστέλλεται.
Η κόκκινη ρέγγα*
Όπως, όμως, επισημαίνει ο Βέτεριχ, το φως που εκπέμπεται από μια ομάδα ατόμων διέπεται από τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων των ατόμων αυτών, και ιδίως των ηλεκτρονίων τους. Εάν η μάζα ενός ατόμου πρόκειται να αυξηθεί, τα φωτόνια που εκπέμπει γίνονται πιο ενεργητικά. Επειδή υψηλότερες ενέργειες αντιστοιχούν σε υψηλότερες συχνότητες, η εκπομπή και η απορρόφηση των συχνοτήτων θα κινηθεί προς το μπλε τμήμα του φάσματος. Αντίστροφα, εάν τα σωματίδια πρόκειται να γίνουν ελαφρύτερα, οι συχνότητες θα μετατοπιστούν προς το ερυθρό τμήμα.
Επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη, όταν κοιτάμε μακρινούς γαλαξίες είναι σαν να ταξιδεύουμε πίσω στο χρόνο – τους βλέπουμε όπως ακριβώς ήταν τότε που εξέπεμψαν το φως που παρατηρούμε. Αν όλες οι μάζες ήταν κάποτε μικρότερες και συνεχώς αυξάνονται, είναι αναμενόμενο να δούμε τα χρώματα των παλιών γαλαξιών να μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του φάσματος σε σχέση με τις τρέχουσες συχνότητες, και το ποσό μετατόπισης προς το ερυθρό θα είναι ανάλογο με την απόστασή τους από τη Γη. Έτσι, η μετατόπιση προς το ερυθρό θα κάνει τους γαλαξίες να φαίνεται ότι απομακρύνονται, ακόμη κι αν αυτό δεν συμβαίνει.
Γιατί συμβαίνει αυτό; Εδώ υπεισέρχεται το φαινόμενο Ντόπλερ. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό το μήκος κύματος (και η συχνότητα) ενός κύματος μεταβάλλεται ανάλογα με τη σχετική ταχύτητα μεταξύ πηγής και παρατηρητή. (Ο ήχος της σειρήνας ενός ασθενοφόρου που ακούμε όταν αυτό μας πλησιάζει, είναι διαφορετικός από τον ήχο που ακούμε όταν μας προσπεράσει.) Οι μετατοπισμένες γραμμές απορρόφησης που παρατηρούνται στο φως απομακρυσμένων γαλαξιών, οφείλονται στο γεγονός ότι οι πηγές αυτού του φωτός –οι γαλαξίες– απομακρύνονται από μας. Το μήκος κύματος (και η συχνότητα) του φωτός αλλάζει εξαιτίας της ταχύτητας απομάκρυνσης των γαλαξιών. Μετρώντας το μήκος αυτής της «μετατόπισης» –τη μεταβολή δηλαδή του μήκους κύματος της πηγής– ο νόμος του Ντόπλερ υπολογίζει την ταχύτητα απομάκρυνσης.
Οι ανακαλύψεις αυτές έγιναν τη δεκαετία του 1920, όταν αστρονόμοι όπως ο Ζορζ Λεμαίτρ και ο Έντουιν Χαμπλ, διαπίστωσαν ότι οι περισσότεροι γαλαξίες μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του φάσματος και ότι η μετατόπιση αυτή είναι μεγαλύτερη όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας. Από τις παρατηρήσεις αυτές βγήκε το συμπέρασμα ότι το σύμπαν διαστέλλεται.
Η κόκκινη ρέγγα*
Όπως, όμως, επισημαίνει ο Βέτεριχ, το φως που εκπέμπεται από μια ομάδα ατόμων διέπεται από τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων των ατόμων αυτών, και ιδίως των ηλεκτρονίων τους. Εάν η μάζα ενός ατόμου πρόκειται να αυξηθεί, τα φωτόνια που εκπέμπει γίνονται πιο ενεργητικά. Επειδή υψηλότερες ενέργειες αντιστοιχούν σε υψηλότερες συχνότητες, η εκπομπή και η απορρόφηση των συχνοτήτων θα κινηθεί προς το μπλε τμήμα του φάσματος. Αντίστροφα, εάν τα σωματίδια πρόκειται να γίνουν ελαφρύτερα, οι συχνότητες θα μετατοπιστούν προς το ερυθρό τμήμα.
Επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη, όταν κοιτάμε μακρινούς γαλαξίες είναι σαν να ταξιδεύουμε πίσω στο χρόνο – τους βλέπουμε όπως ακριβώς ήταν τότε που εξέπεμψαν το φως που παρατηρούμε. Αν όλες οι μάζες ήταν κάποτε μικρότερες και συνεχώς αυξάνονται, είναι αναμενόμενο να δούμε τα χρώματα των παλιών γαλαξιών να μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του φάσματος σε σχέση με τις τρέχουσες συχνότητες, και το ποσό μετατόπισης προς το ερυθρό θα είναι ανάλογο με την απόστασή τους από τη Γη. Έτσι, η μετατόπιση προς το ερυθρό θα κάνει τους γαλαξίες να φαίνεται ότι απομακρύνονται, ακόμη κι αν αυτό δεν συμβαίνει.
Το ισχύον μοντέλο της κοσμολογίας δέχεται ότι οι περισσότεροι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο, καθώς ο χώρος φουσκώνει σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού.
Τόσο τα μαθηματικά όσο και η κοσμολογική θεώρηση αυτής της εναλλακτικής ερμηνείας της μετατόπισης προς το ερυθρό είναι πολύ διαφορετικά από την τρέχουσα αντίληψη. Το ότι η διαστολή του σύμπαντος όλο και επιταχύνεται, είναι ένα φαινόμενο γνωστό ως «πληθωρισμός». Αλλά πριν από τον πληθωρισμό, σύμφωνα με τον Βέτεριχ, η Κοσμογονική ή Μεγάλη Έκρηξη δεν περιείχε μέσα της κάποια «ιδιομορφία», σύμφωνα με την οποία το σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται επ’ άπειρο. Αυτό έγινε κατά το παρελθόν και το σημερινό σύμπαν θα μπορούσε κάλλιστα να είναι στατικό ή να έχει αρχίσει να συστέλλεται.
Με άλλα λόγια, το γεγονός ότι βλέπουμε το σύμπαν να επεκτείνεται είναι κάτι που ανήκει στο παρελθόν.
Μπορεί να αποδειχτεί;
Το μεγάλο πρόβλημα με τη θεωρία του Βέτεριχ είναι ότι, πέρα από τα μαθηματικά, δεν μπορεί να αποδειχτεί στην πράξη. Η μάζα, δηλαδή η ποσότητα της ύλης που περιέχεται σε ένα σώμα, μπορεί να μετρηθεί μόνο σε σχέση με κάτι άλλο. Για παράδειγμα, κάθε μάζα στη Γη προσδιορίζεται σε σχέση με ένα πρότυπο χιλιόγραμμο που βρίσκεται σε ένα θησαυροφυλάκιο στα προάστια του Παρισιού, στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών. Μπορεί η μάζα των πάντων –συμπεριλαμβανομένου του επίσημου κιλού– να αυξήθηκε με την πάροδο του χρόνου, δεν υπάρχει όμως κανένας τρόπος να το μάθουμε.
Για τον Βέτεριχ, η απουσία πειραματικών δοκιμών μας κάνει να χάνουμε την ουσία. Η πρότασή του είναι χρήσιμη γιατί μας κάνει να σκεφτούμε διαφορετικά κοσμολογικά μοντέλα, με τον ίδιο τρόπο που οι φυσικοί χρησιμοποιούν διαφορετικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής, που είναι όμως όλες μαθηματικά συνεπείς. Ειδικότερα, η εγκατάλειψη της πληθωριστικής κοσμολογίας (δηλαδή η διαστολή του σύμπαντος, σύμφωνα με την οποία οι γαλαξίες απομακρύνονται με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους) είναι για τον Βέτεριχ ένα μεγάλο πλεονέκτημα.
Βρισκόμαστε λοιπόν μπροστά σε μια επανάσταση κατά του ισχύοντος κοσμολογικού μοντέλου; Σύμφωνα με τον Niayesh Afshordi, αστροφυσικό στο Περιμετρικό Ινστιτούτο Γουότερλου του Καναδά, οι κοσμολόγοι δέχονται την ιδέα του πληθωριστικού σύμπαντος επειδή αποτελεί την πιο βολική ερμηνεία για τη μετατόπιση του φωτός των γαλαξιών στο ερυθρό τμήμα του φάσματος.
_________________
* Σημ.: Κόκκινη ρέγγα (Red herring) είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει επιχειρήματα που ως σκοπό έχουν τη μετάθεση της συζήτησης σε ένα διαφορετικό πλαίσιο.
Τόσο τα μαθηματικά όσο και η κοσμολογική θεώρηση αυτής της εναλλακτικής ερμηνείας της μετατόπισης προς το ερυθρό είναι πολύ διαφορετικά από την τρέχουσα αντίληψη. Το ότι η διαστολή του σύμπαντος όλο και επιταχύνεται, είναι ένα φαινόμενο γνωστό ως «πληθωρισμός». Αλλά πριν από τον πληθωρισμό, σύμφωνα με τον Βέτεριχ, η Κοσμογονική ή Μεγάλη Έκρηξη δεν περιείχε μέσα της κάποια «ιδιομορφία», σύμφωνα με την οποία το σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται επ’ άπειρο. Αυτό έγινε κατά το παρελθόν και το σημερινό σύμπαν θα μπορούσε κάλλιστα να είναι στατικό ή να έχει αρχίσει να συστέλλεται.
Με άλλα λόγια, το γεγονός ότι βλέπουμε το σύμπαν να επεκτείνεται είναι κάτι που ανήκει στο παρελθόν.
Μπορεί να αποδειχτεί;
Το μεγάλο πρόβλημα με τη θεωρία του Βέτεριχ είναι ότι, πέρα από τα μαθηματικά, δεν μπορεί να αποδειχτεί στην πράξη. Η μάζα, δηλαδή η ποσότητα της ύλης που περιέχεται σε ένα σώμα, μπορεί να μετρηθεί μόνο σε σχέση με κάτι άλλο. Για παράδειγμα, κάθε μάζα στη Γη προσδιορίζεται σε σχέση με ένα πρότυπο χιλιόγραμμο που βρίσκεται σε ένα θησαυροφυλάκιο στα προάστια του Παρισιού, στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών. Μπορεί η μάζα των πάντων –συμπεριλαμβανομένου του επίσημου κιλού– να αυξήθηκε με την πάροδο του χρόνου, δεν υπάρχει όμως κανένας τρόπος να το μάθουμε.
Για τον Βέτεριχ, η απουσία πειραματικών δοκιμών μας κάνει να χάνουμε την ουσία. Η πρότασή του είναι χρήσιμη γιατί μας κάνει να σκεφτούμε διαφορετικά κοσμολογικά μοντέλα, με τον ίδιο τρόπο που οι φυσικοί χρησιμοποιούν διαφορετικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής, που είναι όμως όλες μαθηματικά συνεπείς. Ειδικότερα, η εγκατάλειψη της πληθωριστικής κοσμολογίας (δηλαδή η διαστολή του σύμπαντος, σύμφωνα με την οποία οι γαλαξίες απομακρύνονται με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους) είναι για τον Βέτεριχ ένα μεγάλο πλεονέκτημα.
Βρισκόμαστε λοιπόν μπροστά σε μια επανάσταση κατά του ισχύοντος κοσμολογικού μοντέλου; Σύμφωνα με τον Niayesh Afshordi, αστροφυσικό στο Περιμετρικό Ινστιτούτο Γουότερλου του Καναδά, οι κοσμολόγοι δέχονται την ιδέα του πληθωριστικού σύμπαντος επειδή αποτελεί την πιο βολική ερμηνεία για τη μετατόπιση του φωτός των γαλαξιών στο ερυθρό τμήμα του φάσματος.
_________________
* Σημ.: Κόκκινη ρέγγα (Red herring) είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει επιχειρήματα που ως σκοπό έχουν τη μετάθεση της συζήτησης σε ένα διαφορετικό πλαίσιο.
youmagazine.gr
ntokoumentagr.blogspot.gr
