Θα υπάρχει για πάντα αυτός ο κόσμος ή η σημερινή διαστολή του, θα αντικατασταθεί από μια συστολή που θα κλείνει σε μια μεγάλη κρίσιμη στιγμή; Σε αυτήν την ερώτηση μόνο η σύγχρονη κοσμολογία μπορεί να απαντήσει:
Η απάντηση είναι εξαρτάται, από την αλλαγή, με τον χρόνο, της ακτίνας του 3-διάστατου χώρου. Εξαρτάται πάλι από την αλλαγή, μετά του χρόνου, της μέσης πυκνότητας της ύλης και την παγκόσμια πίεση της ακτινοβολίας μαζί με την κυρτότητα του χώρου. Κατά συνέπεια, εάν κάποιος μπορεί να καθορίσει αυτές τις τρεις ποσότητες, μπορεί να ορισθεί το μελλοντικό πεπρωμένο του κόσμου.
Οι εικόνες πιό πάνω χρησιμεύουν για να επεξηγήσουν την κυρτότητα του 3-διάστατου χώρου. Εντούτοις, τα απεικονισμένα αντικείμενα δεν είναι 3-διάστατα, είναι ακριβώς 2-διάστατα - όπως ένα λεπτό φύλλο του χαρτιού. Ο λόγος, που μπορείτε να δείτε τις διαφορετικές κυρτότητες, είναι ότι κάθεστε σε έναν 3-διάστατο κόσμο.
Η έννοια της κυρτότητας ισχύει επίσης για τις υψηλότερες διαστάσεις. Εάν η παγκόσμια κυρτότητα είναι αρνητική ή μηδέν η διαστολή-επέκταση θα συνεχίζεται για πάντα - το σύμπαν ορίζεται σαν ανοικτό. Εάν η κυρτότητα είναι θετική το σύμπαν είναι κλειστό και η διαστολή-επέκταση, αργά ή γρήγορα, θα αντικατασταθεί από μια συστολή.
Δυστυχώς, κάποιος χρειάζεται μια 4-διάστατη προοπτική προκειμένου να είναι σε θέση να δει την κυρτότητα ενός 3-διάστατου αντικειμένου. Η επιστήμη δεν έχει μάθει ακόμα πώς να χρησιμοποιήσει την περίσταση ότι ζούμε σε ένα 4-διάστατο χωρόχρονο συνέχεια, έτσι δεν υπάρχει καμία προς το παρόν γνωστή μέθοδος για να καθορίσει την κυρτότητα του σύμπαντος κατευθείαν.
Τώρα, σε αυτό το σημείο, τα μαθηματικά της Γενικής Σχετικότητας έρχονται να μας ενισχύσουν. Συνδυάζοντας τις εξισώσεις, αυτή βγάζει πως η κυρτότητα του σύμπαντος μπορεί να καθοριστεί εάν ένα ξέρει την παρούσα πυκνότητα της ύλης του και τη παγκόσμια πίεση της ακτινοβολίας καθώς επίσης και τη μεταβολή σε συνάρτηση με το χρόνο αυτών των ποσοτήτων.
Ουσιαστικά, το ζήτημα είναι να καθοριστεί το ποσό της ύλης στο Σύμπαν σε σύγκριση με τον αριθμό των φωτονίων. Αυτό, εντούτοις, δεν είναι ένας εύκολος στόχος. Αν και η φυσική είναι κοντά στην κατοχή μιας αρκετά καλής άποψης, όλων των φυσικών τμημάτων σ' όλο το Σύμπαν, ακόμα όμως υπάρχουν διάφορα αινίγματα και εκκρεμείς ερωτήσεις που κρέμονται αναπάντητες. Πόσο μακριά ή πόσο κοντά βρίσκεται λοιπόν η φυσική στην κατοχή μιας καθολικής γνώσης, για να επιλύσει αυτά τα προβλήματα είναι δύσκολο να ειπωθεί. Εντούτοις, συνεχώς βελτιώνονται οι γνώσεις μας.
Είναι το Σύμπαν μια διακύμανση του κενού;
Φανταστείτε ότι ζούμε σε ένα σύμπαν με αρνητική κυρτότητα, που συνεχίζει έτσι να επεκτείνεται συνεχώς. Δεν είναι ανιαρό; Εκτός αυτού, εάν κάποιος σκέφτεται βαθειά, πραγματικά αυτό δεν έχει και πολύ νόημα, ή έχει;
Οχι βεβαίως. Σκεφτείτε τότε θετικά και υποθέστε ότι το σύμπαν είναι κλειστό. Μια φυσική συνέπεια τούτου είναι ότι η καθολική ενέργεια του σύμπαντος πρέπει να είναι ίση με μηδέν. Όπως εξηγείται λεπτομερώς στα βιβλία της κβαντικής φυσικής, όλα τα φυσικά φαινόμενα στον κόσμο, είναι ουσιαστικά ακριβώς οι ποικίλλες εκδηλώσεις της ενέργειας.
Σε αυτό το πλαίσιο η ύλη και η βαρύτητα θεωρούνται ως η αρνητική ενέργεια ενώ τα άλλα είδη ενέργειας λογαριάζονται σαν θετικές μορφές. Αθροίζοντας όμως όλες αυτές τις μορφές το αποτέλεσμα πρέπει να είναι μηδέν σε έναν κλειστό σύμπαν.
Δηλαδή, τα διάφορα είδη της ενέργειας είναι ακριβώς η διαφορετική εκδήλωση ενός καθολικού ενεργειακού πεδίου - του κενού.
Κλειστό Σύμπαν;
Συνεπώς, εάν το Σύμπαν είναι κλειστό, είναι μόνο μια διακύμανση του κενού. Αυτό σημαίνει ότι όχι μόνο οι ποικίλλες μορφές στον κόσμο προέρχονται από το κενό πεδίο, όπως αποκαλύπτεται από τη σωματιδιακή φυσική και την Κβαντική Θεωρία Πεδίου, αλλά επίσης και το ίδιο το Σύμπαν προήλθε από το κενό και θα τελειώσει ως κενό.
Υποθέτοντας ότι το σύμπαν είναι κλειστό - τι θα συνέβαινε στο τέλος; Αυτή η ερώτηση - ή μάλλον η ισοδύναμη ερώτηση το τι συνέβη στην αρχή - είναι το θέμα της επόμενης παραγράφου.
Αλλά πρώτα, ας υπενθυμίσουμε τι συνέβη στις πολύ πρόωρες εποχές, που είναι πιό πιθανόν να είναι αυτό που θα συμβεί σε αντίστροφη σειρά στο υποτιθέμενο τέλος.
Προς την εποχή Planck
Φανταστείτε ότι είτε γυρίζουμε πίσω στον χρόνο είτε προς τα εμπρός. Ένας εκατοστό του δευτερολέπτου προτού να φθάσουμε στην τελευταία άκρη, το σύμπαν είναι μια φλεγόμενη βολίδα στην οποία η ενέργεια είναι τόσο υψηλή και πυκνή που σε κανένα σύνθετο οργανισμό δεν υπάρχει πιό πολύ.
Τα στοιχειώδη σωμάτια και τα αντισωμάτια στροβιλίζονται τριγύρω κάτω από την επιρροή των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων που μπορούν ακόμα να διακριθούν η μία από την άλλη. Εντούτοις, όσο υπάρχουν οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων, η βαρύτητα είναι ασήμαντη. Συνεχίζουμε να προχωράμε προς τα πίσω και 10-10 του ενός δευτερολέπτου προτού να φθάσουμε στην ακρότητα, βλέπουμε την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη να ενώνονται και να γίνονται όμοιες. Ήδη μόνο τρεις δυνάμεις υπάρχουν - η ηλεκτροασθενής, η ισχυρή και η βαρύτητα.
Σε 10-32 sec, η φλεγόμενη βολίδα μας, που είναι τώρα στο μέγεθος ενός πορτοκαλιού, υποβάλλεται σε μια εκθετική κατάρρευση και καταρρέει προς ένα μέγεθος 1025 μικρότερο από την διάσταση του ατόμου. Τώρα η ενεργειακή πυκνότητα είναι τόσο υψηλή που σε 10-35 sec η ισχυρή δύναμη ενώνεται με την ενοποιημένη ηλεκτροασθενή δύναμη. Αυτό είναι η εποχή GUT (Εποχή Μεγάλης Ενοποιημένης Θεωρίας), η οποία χαρακτηρίζεται από την εκμηδένιση των σωματιδίων. Τα στοιχειώδη σωματίδια και τα αντισωμάτια τους συναντώνται και εξαφανίζονται με εκλάμψεις της ενέργειας. Μέχρι το τέλος της εποχής GUT καμιά ύλη δεν υπάρχει - ούτε ακόμη και με την μορφή των στοιχειωδών σωματιδίων. Σε 10-43 sec, η βαρύτητα ενώνεται με την ενοποιημένη GUT-δύναμη - και έχουμε φθάσει στην εποχή Planck.
(Τα χρονικά διαστήματα είναι όπως μετριούνται στο συνηθισμένο πλαίσιο αναφοράς μας αλλά, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, ο χρόνος επιβραδύνεται όταν ο χωρόχρονος στρέφεται. Κατά συνέπεια, στο τοπικό πλαίσιο της αναφοράς, τα μικροσκοπικά χρονικά διαστήματα είναι στην πραγματικότητα πολύ μεγάλα. Το ίδιο σχόλιο ισχύει και για το 3-διάστατο χώρο).
Μέχρις σε αυτό το σημείο, ξέρουμε τι συνεχίζεται από τα αποτελέσματα των πειραμάτων των εργαστηρίων της φυσικής της υψηλής ενέργειας. Εντούτοις, φθάνοντας στην εποχή Planck, είμαστε κάπου, όπου κανένας γνωστός νόμος της φυσικής δεν ισχύει.
Η απάντηση είναι εξαρτάται, από την αλλαγή, με τον χρόνο, της ακτίνας του 3-διάστατου χώρου. Εξαρτάται πάλι από την αλλαγή, μετά του χρόνου, της μέσης πυκνότητας της ύλης και την παγκόσμια πίεση της ακτινοβολίας μαζί με την κυρτότητα του χώρου. Κατά συνέπεια, εάν κάποιος μπορεί να καθορίσει αυτές τις τρεις ποσότητες, μπορεί να ορισθεί το μελλοντικό πεπρωμένο του κόσμου.
Οι εικόνες πιό πάνω χρησιμεύουν για να επεξηγήσουν την κυρτότητα του 3-διάστατου χώρου. Εντούτοις, τα απεικονισμένα αντικείμενα δεν είναι 3-διάστατα, είναι ακριβώς 2-διάστατα - όπως ένα λεπτό φύλλο του χαρτιού. Ο λόγος, που μπορείτε να δείτε τις διαφορετικές κυρτότητες, είναι ότι κάθεστε σε έναν 3-διάστατο κόσμο.
Η έννοια της κυρτότητας ισχύει επίσης για τις υψηλότερες διαστάσεις. Εάν η παγκόσμια κυρτότητα είναι αρνητική ή μηδέν η διαστολή-επέκταση θα συνεχίζεται για πάντα - το σύμπαν ορίζεται σαν ανοικτό. Εάν η κυρτότητα είναι θετική το σύμπαν είναι κλειστό και η διαστολή-επέκταση, αργά ή γρήγορα, θα αντικατασταθεί από μια συστολή.
Δυστυχώς, κάποιος χρειάζεται μια 4-διάστατη προοπτική προκειμένου να είναι σε θέση να δει την κυρτότητα ενός 3-διάστατου αντικειμένου. Η επιστήμη δεν έχει μάθει ακόμα πώς να χρησιμοποιήσει την περίσταση ότι ζούμε σε ένα 4-διάστατο χωρόχρονο συνέχεια, έτσι δεν υπάρχει καμία προς το παρόν γνωστή μέθοδος για να καθορίσει την κυρτότητα του σύμπαντος κατευθείαν.
Τώρα, σε αυτό το σημείο, τα μαθηματικά της Γενικής Σχετικότητας έρχονται να μας ενισχύσουν. Συνδυάζοντας τις εξισώσεις, αυτή βγάζει πως η κυρτότητα του σύμπαντος μπορεί να καθοριστεί εάν ένα ξέρει την παρούσα πυκνότητα της ύλης του και τη παγκόσμια πίεση της ακτινοβολίας καθώς επίσης και τη μεταβολή σε συνάρτηση με το χρόνο αυτών των ποσοτήτων.
Ουσιαστικά, το ζήτημα είναι να καθοριστεί το ποσό της ύλης στο Σύμπαν σε σύγκριση με τον αριθμό των φωτονίων. Αυτό, εντούτοις, δεν είναι ένας εύκολος στόχος. Αν και η φυσική είναι κοντά στην κατοχή μιας αρκετά καλής άποψης, όλων των φυσικών τμημάτων σ' όλο το Σύμπαν, ακόμα όμως υπάρχουν διάφορα αινίγματα και εκκρεμείς ερωτήσεις που κρέμονται αναπάντητες. Πόσο μακριά ή πόσο κοντά βρίσκεται λοιπόν η φυσική στην κατοχή μιας καθολικής γνώσης, για να επιλύσει αυτά τα προβλήματα είναι δύσκολο να ειπωθεί. Εντούτοις, συνεχώς βελτιώνονται οι γνώσεις μας.
Είναι το Σύμπαν μια διακύμανση του κενού;
Φανταστείτε ότι ζούμε σε ένα σύμπαν με αρνητική κυρτότητα, που συνεχίζει έτσι να επεκτείνεται συνεχώς. Δεν είναι ανιαρό; Εκτός αυτού, εάν κάποιος σκέφτεται βαθειά, πραγματικά αυτό δεν έχει και πολύ νόημα, ή έχει;
Οχι βεβαίως. Σκεφτείτε τότε θετικά και υποθέστε ότι το σύμπαν είναι κλειστό. Μια φυσική συνέπεια τούτου είναι ότι η καθολική ενέργεια του σύμπαντος πρέπει να είναι ίση με μηδέν. Όπως εξηγείται λεπτομερώς στα βιβλία της κβαντικής φυσικής, όλα τα φυσικά φαινόμενα στον κόσμο, είναι ουσιαστικά ακριβώς οι ποικίλλες εκδηλώσεις της ενέργειας.
Σε αυτό το πλαίσιο η ύλη και η βαρύτητα θεωρούνται ως η αρνητική ενέργεια ενώ τα άλλα είδη ενέργειας λογαριάζονται σαν θετικές μορφές. Αθροίζοντας όμως όλες αυτές τις μορφές το αποτέλεσμα πρέπει να είναι μηδέν σε έναν κλειστό σύμπαν.
Δηλαδή, τα διάφορα είδη της ενέργειας είναι ακριβώς η διαφορετική εκδήλωση ενός καθολικού ενεργειακού πεδίου - του κενού.
Κλειστό Σύμπαν;
Συνεπώς, εάν το Σύμπαν είναι κλειστό, είναι μόνο μια διακύμανση του κενού. Αυτό σημαίνει ότι όχι μόνο οι ποικίλλες μορφές στον κόσμο προέρχονται από το κενό πεδίο, όπως αποκαλύπτεται από τη σωματιδιακή φυσική και την Κβαντική Θεωρία Πεδίου, αλλά επίσης και το ίδιο το Σύμπαν προήλθε από το κενό και θα τελειώσει ως κενό.
Υποθέτοντας ότι το σύμπαν είναι κλειστό - τι θα συνέβαινε στο τέλος; Αυτή η ερώτηση - ή μάλλον η ισοδύναμη ερώτηση το τι συνέβη στην αρχή - είναι το θέμα της επόμενης παραγράφου.
Αλλά πρώτα, ας υπενθυμίσουμε τι συνέβη στις πολύ πρόωρες εποχές, που είναι πιό πιθανόν να είναι αυτό που θα συμβεί σε αντίστροφη σειρά στο υποτιθέμενο τέλος.
Προς την εποχή Planck
Φανταστείτε ότι είτε γυρίζουμε πίσω στον χρόνο είτε προς τα εμπρός. Ένας εκατοστό του δευτερολέπτου προτού να φθάσουμε στην τελευταία άκρη, το σύμπαν είναι μια φλεγόμενη βολίδα στην οποία η ενέργεια είναι τόσο υψηλή και πυκνή που σε κανένα σύνθετο οργανισμό δεν υπάρχει πιό πολύ.
Τα στοιχειώδη σωμάτια και τα αντισωμάτια στροβιλίζονται τριγύρω κάτω από την επιρροή των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων που μπορούν ακόμα να διακριθούν η μία από την άλλη. Εντούτοις, όσο υπάρχουν οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων, η βαρύτητα είναι ασήμαντη. Συνεχίζουμε να προχωράμε προς τα πίσω και 10-10 του ενός δευτερολέπτου προτού να φθάσουμε στην ακρότητα, βλέπουμε την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη να ενώνονται και να γίνονται όμοιες. Ήδη μόνο τρεις δυνάμεις υπάρχουν - η ηλεκτροασθενής, η ισχυρή και η βαρύτητα.
Σε 10-32 sec, η φλεγόμενη βολίδα μας, που είναι τώρα στο μέγεθος ενός πορτοκαλιού, υποβάλλεται σε μια εκθετική κατάρρευση και καταρρέει προς ένα μέγεθος 1025 μικρότερο από την διάσταση του ατόμου. Τώρα η ενεργειακή πυκνότητα είναι τόσο υψηλή που σε 10-35 sec η ισχυρή δύναμη ενώνεται με την ενοποιημένη ηλεκτροασθενή δύναμη. Αυτό είναι η εποχή GUT (Εποχή Μεγάλης Ενοποιημένης Θεωρίας), η οποία χαρακτηρίζεται από την εκμηδένιση των σωματιδίων. Τα στοιχειώδη σωματίδια και τα αντισωμάτια τους συναντώνται και εξαφανίζονται με εκλάμψεις της ενέργειας. Μέχρι το τέλος της εποχής GUT καμιά ύλη δεν υπάρχει - ούτε ακόμη και με την μορφή των στοιχειωδών σωματιδίων. Σε 10-43 sec, η βαρύτητα ενώνεται με την ενοποιημένη GUT-δύναμη - και έχουμε φθάσει στην εποχή Planck.
(Τα χρονικά διαστήματα είναι όπως μετριούνται στο συνηθισμένο πλαίσιο αναφοράς μας αλλά, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, ο χρόνος επιβραδύνεται όταν ο χωρόχρονος στρέφεται. Κατά συνέπεια, στο τοπικό πλαίσιο της αναφοράς, τα μικροσκοπικά χρονικά διαστήματα είναι στην πραγματικότητα πολύ μεγάλα. Το ίδιο σχόλιο ισχύει και για το 3-διάστατο χώρο).
Μέχρις σε αυτό το σημείο, ξέρουμε τι συνεχίζεται από τα αποτελέσματα των πειραμάτων των εργαστηρίων της φυσικής της υψηλής ενέργειας. Εντούτοις, φθάνοντας στην εποχή Planck, είμαστε κάπου, όπου κανένας γνωστός νόμος της φυσικής δεν ισχύει.
