Δαμάζοντας το πολυσύμπαν: Η τελική θεωρία του Stephen Hawking σχετικά με τη μεγάλη έκρηξη

Η θεωρία, η οποία υποβλήθηκε για δημοσίευση πριν το θάνατο του Hawking, βασίζεται στη θεωρία των χορδών και προβλέπει ότι το σύμπαν είναι πεπερασμένο και πολύ απλούστερο από ότι λένε πολλές θεωρίες σχετικά με τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο Καθηγητής Thomas Hertog, από το Καθολικό Πανεπιστήμιο της Leuven, το έργο του οποίου υποστηρίχθηκε από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, ανακοίνωσε για πρώτη φορά τη νέα θεωρία στο Πανεπιστήμιο του Cambridge τον Ιούλιο της περασμένης χρονιάς στο πλαίσιο εκδήλωσης που οργανώθηκε με την ευκαιρία των 75ων γενεθλίων του Καθηγητή Hawking.

Οι σύγχρονες θεωρίες της μεγάλης έκρηξης προβλέπουν ότι το τοπικό μας σύμπαν υπήρξε με μια βραχεία έκρηξη πληθωρισμού – με άλλα λόγια, ένα πολύ μικρό κλάσμα του πρώτου δευτερολέπτου μετά τη μεγάλη έκρηξη, το σύμπαν επεκτάθηκε με έναν εκθετικό ρυθμό. Είναι ευρέως πιστευτό, ωστόσο, ότι από τη στιγμή που ο πληθωρισμός άρχισε, υπάρχουν περιοχές όπου δεν σταμάτησε ποτέ. Θεωρείται ότι κβαντικά φαινόμενα μπορούν να κρατήσουν τον πληθωρισμό να γίνεται σε ορισμένες περιοχές του σύμπαντος για πάντα, έτσι που συνολικά ο πληθωρισμός να είναι αέναος. Το παρατηρήσιμο μέρος του σύμπαντός μας θα πρέπει τότε να είναι απλά ένα σύμπαν-φιλόξενος θύλακας, μια περιοχή στην οποία ο πληθωρισμός έχει τελειώσει και σχηματίστηκαν άστρα και γαλαξίες.

«Η συνήθης θεωρία του αέναου πληθωρισμού προβλέπει ότι συνολικά το σύμπαν μας είναι όπως ένα άπειρο φράκταλ, με ένα μωσαϊκό διαφορετικών συμπάντων-θυλάκων, που διαχωρίζονται από έναν διογκούμενο ωκεανό», είχε αναφέρει ο Hawking σε μια συνέντευξη το περασμένο φθινόπωρο. «Οι τοπικοί νόμοι φυσικής και χημείας μπορούν να διαφέρουν από το ένα σύμπαν-θύλακα στο άλλο, τα οποία μαζί θα μπορούσαν να διαμορφώνουν ένα πολυσύμπαν. Όμως ποτέ δεν ήμουν λάτρης του πολυσύμπαντος. Αν η κλίμακα των διαφορετικών συμπάντων στο πολυσύμπαν είναι μεγάλη ή άπειρη η θεωρία δεν μπορεί να ελεγχθεί».

Στη νέα τους μελέτη, οι Hawking και Hertog λένε ότι αυτή η αναφορά του αέναου πληθωρισμού ως μια θεωρία της μεγάλης έκρηξης είναι λάθος. «Το πρόβλημα με τη συνήθη αναφορά του αέναου πληθωρισμού είναι ότι υποθέτει ένα υπάρχον υπόβαθρο σύμπαν, που εξελίσσεται σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Einstein και αντιμετωπίζει τα κβαντικά φαινόμενα ως μικρές διακυμάνσεις γύρω από αυτό», ανέφερε ο Hertog. «Ωστόσο, η δυναμική του αέναου πληθωρισμού εξαλείφει το διαχωρισμό μεταξύ κλασικής και κβαντικής φυσικής. Ως επακόλουθο, η θεωρία του Einstein καταρρέει στον αέναο πληθωρισμό».

«Προβλέπουμε ότι το σύμπαν μας, σε μεγαλύτερες κλίμακες, είναι αρκετά ομαλό και συνολικά πεπερασμένο. Έτσι δεν είναι μια φράκταλ δομή», ανέφερε ο Hawking.

Η θεωρία του αέναου πληθωρισμού που προτείνουν οι Hawking και Hertog βασίζεται στη θεωρία των χορδών: ένα κλάδο της θεωρητικής φυσικής που προσπαθεί να φέρει κοντά τη βαρύτητα και τη γενική σχετικότητα με την κβαντική φυσική, εν μέρει περιγράφοντας τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος ως πολύ μικρές δονούμενες χορδές. Η προσέγγισή τους χρησιμοποιεί την ιδέα της ολογραφίας στη θεωρία χορδών, η οποία εικάζει ότι το σύμπαν είναι ένα μεγάλο και σύνθετο ολόγραμμα: η φυσική πραγματικότητα σε ορισμένους τρισδιάστατους (3D) χώρους μπορεί μαθηματικά να μειωθεί σε δισδιάστατες (2D) προβολές σε μια επιφάνεια.

Οι Hawking και Hertog ανέπτυξαν μια παραλλαγή αυτής της ιδέας της ολογραφίας* για να διαχειριστούν τη διάσταση του χρόνου στον αέναο πληθωρισμό. Αυτό τους επέτρεψε να περιγράψουν τον αέναο πληθωρισμό χωρίς να βασιστούν στη θεωρία του Einstein. Στη νέα θεωρία, ο αέναος πληθωρισμός μειώνεται σε μια άχρονη κατάσταση που ορίζεται στη χωρική επιφάνεια στην αρχή του χρόνου. «Όταν ακολουθούμε την εξέλιξη του σύμπαντός μας προς τα πίσω στο χρόνο, σε κάποιο σημείο φθάνουμε στο κατώφλι του αέναου πληθωρισμού, όπου η γνωστή μας έννοια του χρόνου παύει να έχει οποιαδήποτε σημασία», είπε ο Hertog.

Η προηγούμενη «θεωρία χωρίς όρια» του Hawking προέβλεπε ότι εάν πας πίσω στο χρόνο προς την αρχή του σύμπαντος, το σύμπαν συρρικνώνεται και κλείνει όπως μια σφαίρα, όμως η νέα αυτή θεωρία αντιπροσωπεύει ένα βήμα ποιο πέρα από την προηγούμενη θεωρία. «Τώρα λέμε ότι υπάρχει ένα όριο στο παρελθόν μας», είπε ο Hertog.

Οι Hertog και Hawking χρησιμοποίησαν τη νέα τους θεωρία για να παραγάγουν περισσότερο αξιόπιστες προβλέψεις σχετικά με την ολική δομή του σύμπαντος. Προέβλεψαν ότι το σύμπαν που αναδύεται από τον αέναο πληθωρισμό στο παρελθοντικό όριο είναι πεπερασμένο και μακράν απλούστερο από ότι η άπειρη φράκταλ δομή που προέβλεπε η παλιά θεωρία του αέναου πληθωρισμού. Τα αποτελέσματά τους, αν επιβεβαιωθούν από περαιτέρω εργασία, θα έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις στο παράδειγμα του πολυσύμπαντος. «Δεν είμαστε σε ένα απλό, μοναδικό σύμπαν, αλλά τα ευρήματά μας υπονοούν μια σημαντική μείωση του πολυσύμπαντος, σε ένα πολύ μικρότερο εύρος πιθανών συμπάντων», είπε ο Hawking. Αυτό καθιστά τη θεωρία πιο προβλεπτική και ελέγξιμη.

Ο Hertog τώρα σχεδιάζει να μελετήσει τις επιπτώσεις της νέας θεωρίας σε μικρότερες κλίμακες που είναι μέσα στις δυνατότητες των διαστημικών τηλεσκοπίων μας. Πιστεύει ότι τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα – πτυχώσεις στο χωρόχρονο – που δημιουργήθηκαν στην έξοδο από τον αέναο πληθωρισμό συνιστούν την πλέον υποσχόμενη «καπνίζουσα κάνη» για τον έλεγχο του μοντέλου. Η διαστολή του σύμπαντός μας από την αρχή του σημαίνει ότι τέτοια βαρυτικά κύματα θα πρέπει να έχουν πολύ μεγάλα μήκη κύματος, έξω από το εύρος των τρεχουσών ανιχνευτών LIGO. Όμως μπορεί να ακουστούν από το σχεδιαζόμενο Ευρωπαϊκό διαστημικό παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων, το LISA, ή να φανούν σε μελλοντικά πειράματα μέτρησης του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου.

Πηγή: University of Cambridge

Περισσότερα στη δημοσίευση: A smooth exit from eternal inflation? Journal of High-Energy Physics.

*Διαβάστε στο egno.gr: Σύμπαν – Κβαντική Βαρύτητα: Μελέτη επιστημόνων αποκαλύπτει στοιχεία ότι το σύμπαν είναι ένα ολόγραμμα, καθώς και Συνέντευξη: Ο Κώστας Σκενδέρης, Καθηγητής του Πανεπιστημίου του Southampton απαντά σε ερωτήσεις του egno.gr για το Ολογραφικό Σύμπαν