David Bercovici – Το σύμπαν και οι γαλαξίες
Ο χρόνος ξεκινά με μια κολοσσιαία έκρηξη, τόσο μεγάλη που δεν μπορεί να τη συλλάβει ανθρώπινος νους — υπάρχει ωραιότερος τρόπος να ξεκινήσει κανείς μια ιστορία;
Ωστόσο, το εάν εκείνη η πρώτη στιγμή σηματοδότησε τη δημιουργία του Συμπαντος ή τη δημιουργία της Γης παρέμενε άγνωστο μέχρι σχετικά πρόσφατα, και συγκεκριμένα μέχρι τον προηγούμενο αιώνα. Η Βίβλος, για παράδειγμα, ξεκινά με τη φράση «Στην αρχή ο Θεός δημιούργησε τον Ουρανό και τη Γη», ένα γεγονός το οποίο σύμφωνα με τον Ιρλανδό επίσκοπο του δέκατου έβδομου αιώνα Τζέιμς Άσσερ χρονολογείται ακριβώς στις 23 Οκτωβρίου του έτους 4004 π.Χ.
Όχι όμως πολύ προτού ο Άσσερ προβεί στις συγκεκριμένες διαπιστώσεις, διάφοροι επιφανείς φιλόσοφοι της Αναγέννησης είχαν διατυπώσει τη ριζοσπαστική άποψη ότι ο χρόνος δεν είχε αρχή.
Ένας από τους πιο γνωστούς μεταξύ αυτών, κυρίως εξαιτίας του μαρτυρικού θανάτου του, ήταν ο Τζιορντάνο Μπρούνο, Ιταλός Δομινικανός μοναχός και λόγιος του δέκατου έκτου αιώνα. Ο Μπρούνο υποστήριζε την αμφιλεγόμενη τότε θεωρία του Κοπέρνικου, σύμφωνα με την οποία η Γη δεν αποτελούσε το κέντρο του Σύμπαντος αλλά αντιθέτως περιφερόταν γύρω από τον Ήλιο. Ισχυριζόταν μάλιστα ότι ακόμη και ο Ήλιος ήταν απλώς ένα άστρο σαν όλα τα άλλα άστρα του νυχτερινού ουρανού, καθένα από τα οποία έχει τους δικούς του πλανήτες.
Αλλά το σημαντικότερο (σε ό,τι μας αφορά τουλάχιστον) ήταν ότι ο Μπρούνο πίστευε πως το Σύμπαν ήταν αμετάβλητο, με άπειρη ηλικία και έκταση. Μολονότι ο Μπρούνο δεν ήταν ο πρώτος μελετητής στην Ευρώπη που υποστήριζε αυτές τις απόψεις, η Καθολική Εκκλησία τις θεώρησε αιρετικές (όπως και κάποιες άλλες ιδέες πιο προσβλητικές από θρησκευτική άποψη, όσον αφορά, για παράδειγμα, τη θεία φύση του Ιησού Χριστού και την αξία της μετουσίωσης).
Τελικά συνελήφθη στη Βενετία, δικάστηκε, εκδόθηκε στη Ρώμη και εκεί δικάστηκε εκ νέου. Ήταν ένας θερμοκέφαλος και σαρκαστικός άνθρωπος, και αρνήθηκε να αναιρέσει όσα είχε γραπτώς ισχυριστεί, εκτός εάν ο Πάπας ή ο ίδιος ο Θεός ερχόταν να του πει ότι έκανε λάθος. Κανείς, βέβαια, από τους δύο δε συμφώνησε, κι έτσι ο Μπρούνο οδηγήθηκε στην πυρά την πρώτη Τετάρτη της Σαρακοστής του 1600 στο Κάμπο ντε Φιόρι της Ρώμης, όπου σήμερα ένα αγαλμα του αγριοκοιτάζει τους ξέγνοιαστους τουρίστες που ξεκουράζονται στα πολλά καφέ της πλατείας.
Ευτυχώς οι επιστήμονες σήμερα σπανίως καταλήγουν στην πυρά για τις ιδέες τους (τουλάχιστον όχι κυριολεκτικά). Όταν επισκέφτηκα κάποτε τη Ρώμη, ένας συνάδελφός μου κι εγώ σταθήκαμε μπροστά στο επιβλητικό άγαλμα του Μπρούνο και στοχαστήκαμε αν θα αρνούμασταν τα επιστημονικά γραπτά μας σε περίπτωση που βρισκόμασταν αντιμέτωποι με την ποινή του θανάτου, όπως συνέβη στον Γαλιλαίο 33 χρόνια μετά τη δίκη του Μπρούνο. Ύστερα από λίγο, και, για να είμαι ειλικρινής, αφού ξεσπάσαμε σε γέλια, συμφωνήσαμε ότι φυσικά και θα το κάναμε, χωρίς δεύτερη κουβέντα.
Πέρα από το γεγονός ότι και τους δυο μας μας τρομάζει η ιδέα —και η σκέψη να πεθάνουμε για όλα εκείνα τα γραπτά τα οποία κανείς δεν έχει διαβάσει—, βρισκόμαστε σήμερα πλέον στην πλεονεκτική θέση να γνωρίζουμε ότι η κακή επιστήμη πεθαίνει με τους γεννήτορές της, όχι όμως και η καλή επιστήμη. Εάν οι επιστημονικές απόψεις μας πέθαιναν μαζί με μας, τότε αυτό θα ήταν πιθανότατα το τέλος που τους άξιζε. Όμως ο Μπρούνο θυσίασε τη ζωή του για τα πιστεύω του, κι έτσι έγινε ένας από τους διασημότερους μάρτυρες της επιστήμης. Και, τελικά, οι απόψεις του αναγνωρίστηκαν ως εξαιρετικά προφητικές, και ιδίως η ιδέα του ότι η Γη είναι απλώς ένας από τους πολλούς κόσμους που περιφέρονται γύρω απο ένα απο τα πολλά αστέρια μέσα σε ένα πελώριο και πανάρχαιο Σύμπαν.
Οι απόψεις του Μπρούνο ότι το Σύμπαν έχει άπειρη ηλικία και έκταση είναι, ωστόσο, εσφαλμένες, και ο χρόνος φαίνεται να έχει πράγματι μια αρχή. Η απλούστερη ένδειξη που συνηγορεί υπέρ αυτής της άποψης είναι η σκοτεινότητα του νυχτερινού ουρανού. Εάν ζούσαμε σε ένα Σύμπαν με άπειρη ηλικία και έκταση, τότε κάθε απειροστό κομμάτι του νυχτερινού ουρανού θα έκρυβε ένα αστέρι, το δε φως όλων αυτών των άστρων θα είχε άφθονο χρόνο να φτάσει ως εμάς· συνεπώς ολόκληρος ο ουρανός θα έπρεπε να είναι κατάφωτος με αστρικό φως.
Γιοχάνες Κέπλερ
Μολονότι τόσο ο Γερμανός μαθηματικός Γιοχάννες Κέπλερ όσο και ο Άγγλος μελετητής Τόμας Ντιτζ (και οι δύο σύγχρονοι του Μπρούνο) επισήμαναν το παράδοξο του νυχτερινού ουρανού, αυτό πήρε τελικά το όνομα του αρκετά μεταγενέστερου Γερμανού αστρονόμου Χάινριχ Βίλχελμ Όλμπερς, ο οποίος έζησε στα τέλη του δέκατου όγδοου και στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα.
Η λύση στο παράδοξο του Όλμπερς δόθηκε από τον Βρετανό φυσικό Γουίλλιαμ Τόμσον (Ι9ος-20ός αι.), γνωστό και ως Λόρδο Κέλβιν, ενώ στην ίδια λύση κατέληξε ακόμη και ο διάσημος Αμερικανός συγγραφέας Έντγκαρ Άλλαν Πόε: συγκεκριμένα, σύμφωνα με αυτή τη λύση, το Σύμπαν έχει πεπερασμένη ηλικία (συνεπώς, το φως των μακρινών άστρων μπορεί να μην έχει φτάσει ακόμα ως εμάς) ή πεπερασμένη έκταση (δηλαδή, δεν κρύβονται άστρα σε κάθε σημείο του ουρανού), ή ισχύουν και τα δύο. Αυτή είναι μία από τις πρώτες και σημαντικότερες ενδείξεις που οδήγησαν τελικά στην υπόθεση της Μεγάλης Έκρηξης, αφού σύμφωνα με αυτήν το Σύμπαν ξεκίνησε κάποια στιγμή στο παρελθόν και/ή όχι ταυτόχρονα παντού.
Τη δεκαετία του 1920 ο Αμερικανός αστρονόμος Έντγουιν Χαμπλ έδειξε χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιό του ότι υπάρχουν και άλλοι γαλαξίες εκτός από τον δικό μας Γαλαξία, ο οποίος μέχρι τότε θεωρούνταν ότι συνιστά ολόκληρο το πεπερασμένο και στατικό Σύμπαν μας.
Ο Χαμπλ υπολόγισε τις αποστάσεις των γαλαξιών χρησιμοποιώντας παλλόμενους μεταβλητούς αστέρες, τους λεγόμενους Κηφείδες, των οποίων η περίοδος μεταβολής της φωτεινότητας (ο χρόνος μεταξύ δύο παλμών) και η μέση φωτεινότητα (η ολική ισχύς που εκπέμπεται υπό τη μορφή φωτός) υπόκεινται σε μια απλή σχέση. Το χαρακτηριστικό αυτό τους καθιστά βολικά σημεία αναφοράς για τη βαθμονόμηση των αποστάσεων: δύο Κηφείδες με τον ίδιο παλμό έχουν την ίδια φωτεινότητα, οπότε, εάν ένας από αυτούς φαίνεται αμυδρότερος από τον άλλον, τότε πρέπει να βρίσκεται πιο μακριά, και μάλιστα με έναν μετρήσιμο τρόπο (εφόσον η μείωση της φωτεινότητας σχετίζεται με το τετράγωνο της απόστασής του).
Συνεπώς από τους Κηφείδες υπολογίζουμε την απόσταση των γαλαξιών στους οποίους ανήκουν. Ο Χαμπλ βρήκε επίσης πως το φως ενός γαλαξία μετατοπίζεται όλο και περισσότερο προς το ερυθρό όσο αυξάνεται η απόσταση. Το ερυθρό φως έχει τη μεγαλύτερη περίοδο και το μεγαλύτερο μήκος κύματος από όλα τα κύματα του ορατού φωτός. Η ερυθρή μετατόπιση του φωτός, όπως ονομάζεται, είναι ένα φαινόμενο παρόμοιο με τη μείωση της συχνότητας των ηχητικών κυμάτων που εκπέμπει ένα ασθενοφόρο (ή την αύξηση του μήκους κύματός τους), όταν το ασθενοφόρο απομακρύνεται από τη δική μας θέση. Το μετατοπισμένο προς το ερυθρό φως των γαλαξιών αποκαλύπτει πως όσο πιο μακριά από εμάς βρίσκονται, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνονται, και αυτό σημαίνει ότι οι γαλαξίες στο σύνολό τους απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον και εκτείνονται προς τα έξω.
Oλόκληρο το σύμπαν σε μια εικόνα.
Την δημιούργησε ο Pablo Carlos Budassi συνδυάζοντας λογαριθμικούς χάρτες του σύμπαντος από το Princeton και εικόνες από τη NASA. (Προσοχή, ο χάρτης είναι λογαριθμικός, δηλαδή ο κάθε δακτύλιος δηλώνει πολύ πιο μεγάλα μεγέθη από τον προηγούμενό του)
Ακόμα και προτού ο Χαμπλ διαπιστώσει ότι οι γαλαξίες, στο σύνολό τους, απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον, ο Βέλγος αστρονόμος Ζορζ Λεμαίτρ και ο Ρώσος φυσικός και μαθηματικός Αλεξάντερ Φρίντμαν είχαν προβλέψει, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Και οι δύο χρησιμοποίησαν στους υπολογισμούς τους τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, αν και ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε απορρίψει αρχικά τα συμπεράσματά τους (τα αποδέχτηκε αργότερα). Όμως με τις παρατηρήσεις του Χαμπλ απέκτησαν τις ενδείξεις τις οποίες χρειάζονταν προκειμένου να στηρίξουν τις ιδέες τους για το διαστελλόμενο Σύμπαν.
Εάν το Σύμπαν έχει πεπερασμένη ηλικία και το σύμπαν και οι γαλαξίες έκταση και διαστέλλεται, τότε —αν αναπαραγάγουμε αντίστροφα τη διαστολή του— όλη η μάζα του και όλη η ενέργειά του θα πρέπει να ήταν αρχικά συγκεντρωμένες σε έναν πολύ πιο μικρό και θερμό όγκο, σε ό,τι ο Λεμαίτρ αποκαλεί «κοσμικό αυγό».
Η αρχική διαστολή της συγκεκριμένης μάζας, στις απαρχές του Σύμπαντος, ονομάστηκε, ειρωνικά, Μεγάλη Έκρηξη, από τον Φρεντ Χόυλ, αστρονόμο του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, ο οποίος στην πραγματικότητα απεχθανόταν την όλη ιδέα. Η ονομασία έμεινε, μολονότι η ιδέα της έκρηξης δεν είναι εντελώς ορθή — έστω και αν την αναφέρω στην εναρκτήρια πρόταση του παρόντος κεφαλαίου.
Σε μια έκρηξη προκαλείται ένα κρουστικό κύμα το οποίο διαχωρίζει ένα αέριο υψηλής πίεσης από ένα άλλο χαμηλής πίεσης, αντιθέτως η αρχικά συμπιεσμένη μάζα και ενέργεια του Συμπαντος και άρα όλος ο χώρος εμπεριέχονταν στο εσωτερικό του μικροσκοπικού όγκου του: συνεπώς, δε διαστέλλονταν μέσα σε κάποιον άλλο χώρο, αφού άλλος χώρος δεν υπήρχε. Ουσιαστικά, καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, διαστέλλονται μαζί μ’ αυτό και τα όρια του χώρου: έξω από αυτό δεν υπάρχει φως, μάζα, ενέργεια και χρόνος — κι αυτό είναι κάτι που σίγουρα δυσκολευόμαστε να αντιληφθούμε.
Τελικά, τη δεκαετία του 1960, οι Αμερικανοί Άρνο Πενζίας και Ρόμπερτ Γουίλσον ανακάλυψαν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, έναν ραδιοσυριγμό που τώρα διαποτίζει ολόκληρο το Σύμπαν, και έδειξαν ότι το βαθύ κενό του Διαστήματος δεν είναι εντελώς ψυχρό —δεν έχει μηδενική θερμοκρασία και ενέργεια— αλλά πληρού-ται από μικροκύματα σε μια «ευχάριστη» θερμοκρασία των 3 βαθμών Κέλβιν (-270 βαθμοί Κελσίου). Αυτή η εναπομείνασα θερμότητα αποδεικνύει ότι το Σύμπαν βρισκόταν σε πολύ θερμότερη κατάσταση ακριβώς μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Την δημιούργησε ο Pablo Carlos Budassi συνδυάζοντας λογαριθμικούς χάρτες του σύμπαντος από το Princeton και εικόνες από τη NASA. (Προσοχή, ο χάρτης είναι λογαριθμικός, δηλαδή ο κάθε δακτύλιος δηλώνει πολύ πιο μεγάλα μεγέθη από τον προηγούμενό του)
Ακόμα και προτού ο Χαμπλ διαπιστώσει ότι οι γαλαξίες, στο σύνολό τους, απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον, ο Βέλγος αστρονόμος Ζορζ Λεμαίτρ και ο Ρώσος φυσικός και μαθηματικός Αλεξάντερ Φρίντμαν είχαν προβλέψει, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Και οι δύο χρησιμοποίησαν στους υπολογισμούς τους τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, αν και ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε απορρίψει αρχικά τα συμπεράσματά τους (τα αποδέχτηκε αργότερα). Όμως με τις παρατηρήσεις του Χαμπλ απέκτησαν τις ενδείξεις τις οποίες χρειάζονταν προκειμένου να στηρίξουν τις ιδέες τους για το διαστελλόμενο Σύμπαν.
Εάν το Σύμπαν έχει πεπερασμένη ηλικία και το σύμπαν και οι γαλαξίες έκταση και διαστέλλεται, τότε —αν αναπαραγάγουμε αντίστροφα τη διαστολή του— όλη η μάζα του και όλη η ενέργειά του θα πρέπει να ήταν αρχικά συγκεντρωμένες σε έναν πολύ πιο μικρό και θερμό όγκο, σε ό,τι ο Λεμαίτρ αποκαλεί «κοσμικό αυγό».
Η αρχική διαστολή της συγκεκριμένης μάζας, στις απαρχές του Σύμπαντος, ονομάστηκε, ειρωνικά, Μεγάλη Έκρηξη, από τον Φρεντ Χόυλ, αστρονόμο του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, ο οποίος στην πραγματικότητα απεχθανόταν την όλη ιδέα. Η ονομασία έμεινε, μολονότι η ιδέα της έκρηξης δεν είναι εντελώς ορθή — έστω και αν την αναφέρω στην εναρκτήρια πρόταση του παρόντος κεφαλαίου.
Σε μια έκρηξη προκαλείται ένα κρουστικό κύμα το οποίο διαχωρίζει ένα αέριο υψηλής πίεσης από ένα άλλο χαμηλής πίεσης, αντιθέτως η αρχικά συμπιεσμένη μάζα και ενέργεια του Συμπαντος και άρα όλος ο χώρος εμπεριέχονταν στο εσωτερικό του μικροσκοπικού όγκου του: συνεπώς, δε διαστέλλονταν μέσα σε κάποιον άλλο χώρο, αφού άλλος χώρος δεν υπήρχε. Ουσιαστικά, καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, διαστέλλονται μαζί μ’ αυτό και τα όρια του χώρου: έξω από αυτό δεν υπάρχει φως, μάζα, ενέργεια και χρόνος — κι αυτό είναι κάτι που σίγουρα δυσκολευόμαστε να αντιληφθούμε.
Τελικά, τη δεκαετία του 1960, οι Αμερικανοί Άρνο Πενζίας και Ρόμπερτ Γουίλσον ανακάλυψαν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, έναν ραδιοσυριγμό που τώρα διαποτίζει ολόκληρο το Σύμπαν, και έδειξαν ότι το βαθύ κενό του Διαστήματος δεν είναι εντελώς ψυχρό —δεν έχει μηδενική θερμοκρασία και ενέργεια— αλλά πληρού-ται από μικροκύματα σε μια «ευχάριστη» θερμοκρασία των 3 βαθμών Κέλβιν (-270 βαθμοί Κελσίου). Αυτή η εναπομείνασα θερμότητα αποδεικνύει ότι το Σύμπαν βρισκόταν σε πολύ θερμότερη κατάσταση ακριβώς μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Το αμερικανο-ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο μελέτης της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων, BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), το οποίο βρίσκεται στο Νότιο Πόλο, ανακάλυψε βαρυτικά κύματα που προέρχονται από την πρώτη στιγμή της δημιουργίας του σύμπαντος.
Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, ή απλώς οι τρέχουσες παρατηρήσεις της διαστολής του Σύμπαντος, μας επιτρέπει να υπολογίσουμε με απλό τρόπο την ηλικία του Σύμπαντος. Εάν υπολογίσουμε τον χρόνο που θα χρειαζόταν το Σύμπαν για να αποκτήσει το σημερινό του μέγεθος αν διαστελλόταν με τον εκτιμώμενο ρυθμό διαστολής (τη λεγόμενη σταθερά Χαμπλ), και να ψυχθεί τόσο ώστε η θερμοκρασία του να είναι 3 βαθμοί Κέλβιν, θα βρούμε ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι περίπου ίση με 14 δισεκατομμύρια έτη (συν πλην περίπου ένα δισεκατομμύριο έτη).
Τούτο το απλό συμπέρασμα συμφωνεί σε ικανοποιητικό βαθμό με αστρονομικές παρατηρήσεις των παλαιότερων σωμάτων του Σύμπαντος, τα οποία είναι τις περισσότερες φορές μικρά άστρα που καίγονται με πολύ αργό ρυθμό (όπως θα δούμε στο επόμενο κεφάλαιο), αν και ακόμη και αυτά δε γεννήθηκαν παρά μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, συνεπώς μάλλον δίνουν μια μικρότερη από την πραγματική ηλικία για το Σύμπαν. Σύμφωνα πάντως με τις τελευταίες εκτιμήσεις μας, το Σύμπαν έχει ηλικία 13,8 δισεκατομμυρίων ετών.
David Bercovici – H προέλευση των πάντων – Εκδόσεις Πατάκη
antikleidi.com
Σχόλια