Πώς το σύμπαν δεν κατέρρευσε αμέσως μετά το Bing Bang σε μια μαύρη τρύπα;

Εάν δούμε το Σύμπαν ως το σύνολο της ύλης και της ενέργειας που γνωρίζουμε και που στις πρώτες στιγμές είχαν συμπιεστεί σε μια μικρή περιοχή του χώρου, τότε γιατί δεν καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα;

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang), όλη η ύλη και η ενέργεια του σύμπαντος αναδύθηκε από μια χωροχρονική ανωμαλία. Γιατί τότε όλη αυτή η ύλη, καθώς βρισκόταν μάλιστα και σε πολύ μικρό χώρο, δεν κατέρρευσε αμέσως σε μια μαύρη τρύπα;  Η ερώτηση αυτή έχει πραγματικά δύο σκέλη. Πρώτα, πως κατόρθωσε όλη αυτή η ύλη να βγει από μια ανωμαλία; Σε τελευταία ανάλυση οι φυσικοί περιγράφουν την χωροχρονική ανωμαλία μιας μαύρης τρύπας σαν ένα απύθμενο λάκκο, μέσα στον οποίο πέφτει η ύλη που προέρχεται απ’ έξω, αλλά τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει από αυτόν. 

Ας αφήσουμε κατά μέρος το γεγονός ότι οι μαύρες τρύπες αποτελούν μια εξιδανίκευση. Το βασικό σημείο είναι ότι το Σύμπαν γεννήθηκε με μια τάση απίστευτης γρήγορης διαστολής, η οποία υπερνίκησε την τάση της ύλης να καταρρέει σε μαύρη τρύπα. Σύμφωνα με τη θεωρία της Σχετικότητας, ο χώρος δεν παραμένει στατικός. Σε όλες τις περιπτώσεις εκτός μερικών πολύ ειδικών καταστάσεων είτε διαστέλλεται είτε συστέλλεται. Αλλά γιατί στο αρχικό του στάδιο επέλεξε την επέκταση αντί της συρρίκνωσης παραμένει ένα μυστήριο. 

Κατά κάποιο τρόπο, θα μπορούσαμε να σκεφτούμε το Σύμπαν ως μια μαύρη τρύπα στην οποία «έχει βγει το εσωτερικό της έξω». Μια κλασσική μαύρη τρύπα είναι μια ανωμαλία μέσα στην οποία ρέει η ύλη. Το Σύμπαν είναι μια ανωμαλία από την οποία εξήλθε η ύλη. Μια κλασσική μαύρη τρύπα περιβάλλεται από τον ορίζοντα γεγονότων της, μια επιφάνεια μέσα στην οποία δεν μπορούμε να δούμε. (Μια κρίσιμη διαφορά εντούτοις είναι ότι ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας είναι σταθερός, ενώ ο κοσμολογικός ορίζοντας αλλάζει από παρατηρητή σε παρατηρητή).
  
Το δεύτερο σκέλος της ερώτησης είναι: Γιατί η ύλη στα αρχικά της στάδια δεν κατέρρευσε σε μαύρες τρύπες; Τελικά οι φυσικοί λένε ότι αν συνθλίψουμε την ύλη σε αρκετά υψηλή πυκνότητα, θα καταρρεύσει σε μαύρη τρύπα, και η πυκνότητα της ύλης σ’ αυτό το πρώιμο Σύμπαν ήταν πράγματι αρκετά υψηλή. Η απάντηση είναι ότι ο σχηματισμός της μαύρης τρύπας στην πραγματικότητα εξαρτάται από τη μεταβολή της πυκνότητας από σημείο σε σημείο του χώρου. Την εποχή εκείνη του Big Bang λοιπόν υπήρχε ελάχιστη μεταβολή της πυκνότητας μεταξύ των διαφόρων περιοχών. Η ύλη κατανεμόταν σχεδόν με μια τέλεια ομοιομορφία. 

Στην πραγματικότητα, οι κοσμολόγοι μεταθέτουν την ερώτηση. Το γεγονός ότι το Σύμπαν δεν καταρρέει ξανά σ’ ένα σμήνος από μαύρες τρύπες είναι δείγμα ότι δεν υπήρξαν απότομες οξείες μεταβολές πυκνότητας, ή αν υπήρξαν ήταν εξαιρετικά σπάνιες. Αυτή η έλλειψη έντονων μεταβολών, με τη σειρά της, είναι ένδειξη για το πληθωριστικό μοντέλο, το οποίο δέχονται σήμερα οι περισσότεροι από τους κοσμολόγους. 

Η ενέργεια του κενού 

Ο Alan  Guth χρησιμοποίησε τις ιδέες της σωματιδιακής φυσικής στο πολύ πρώιμο σύμπαν, για να λύσει πολλά προβλήματα της κοσμολογίας. 

Η έννοια που επεξεργάστηκε ήταν το αληθές κενό (μια σταθερή κατάσταση του κενού σαν τη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων), και το ψευδοκενό (μια διεγερμένη κατάσταση σαν τις διεγερμένες καταστάσεις των ατόμων). Οι φυσικοί γνωρίζουν (με τη βοήθεια της κβαντικής φυσικής) ότι το ψευδές κενό σχετίζεται με μια τεράστια ενέργεια, που ασκεί ισχυρή βαρυτική επίδραση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όπως έδειξε ο Αϊνστάιν, η ενέργεια έχει μάζα, και συνεπώς ασκεί και αυτή βαρυτική έλξη, όπως ακριβώς και η κανονική ύλη.

Η βαρυτική επίδραση της τεράστιας ενέργειας του κβαντικού κενού είναι φυσικά ισχυρότατα ελκτική. Γι αυτό και η εν λόγω κολοσσιαία βαρύτητα του ψευδοκενού δεν βοηθάει στην πρόκληση πληθωρισμού, αφού ο πληθωρισμός απαιτεί κάποιο είδος αντιβαρύτητας. Εντούτοις, η τεράστια ενέργεια του ψευδούς κενού συνδέεται με μια εξίσου τεράστια αρνητική πίεση, και αυτή ακριβώς είναι που λύνει το πρόβλημα. Στο ψευδοκενό η αρνητική πίεση είναι κολοσσιαία αντιβαρυτική, που ανταγωνίζεται την εξίσου τρομακτική βαρυτική έλξη της ενέργειας. 

Στον μεταξύ τους αγώνα τελικά κερδίζει η αρνητική πίεση και γι αυτό το συνολικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας απωστικής δύναμης τόσο μεγάλης, που μπορεί να διαλύσει το σύμπαν σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Αυτή η γιγαντιαία πληθωριστική ώθηση ήταν που προκάλεσε το διπλασιασμό του μεγέθους του σύμπαντος κάθε 10^-34 δευτερόλεπτα. 

Ο Guth έτσι ανακάλυψε τη βάση για μια περιγραφή του πολύ πρωταρχικού Σύμπαντος, η οποία σήμερα είναι γνωστή σαν πληθωρισμός. 

Αριστερά: Το κενό μπορεί επίσης όπως και το άτομο να έχει μία ή περισσότερες διεγερμένες καταστάσεις. Αυτές οι καταστάσεις του κενού θα έχουν πολύ διαφορετικές ενέργειες, αν και θα φαίνονταν απολύτως όμοιες. Η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (δηλαδή η θεμελιώδης κατάσταση) ονομάζεται μερικές φορές αληθές κενό.  Ένα διεγερμένο κενό αντίθετα αναφέρεται ως ψευδοκενό. Στο ψευδοκενό τα πεδία Higgs είναι μηδενικά, ενώ εκεί η πυκνότητα της ενέργειας των πεδίων Higgs είναι κολοσσιαία και σταθερή! Αντίθετα, στο αληθές κενό (με τη χαμηλότερη πυκνότητα ενέργειας) η ενέργεια των πεδίων Higgs έχει την ελάχιστη τιμή της, όμως το ίδιο το πεδίο Higgs είναι διάφορο του μηδενός και μπορεί έτσι να δώσει μάζα στα μέχρι τότε άμαζα σωματίδια, αλληλεπιδρώντας με αυτά.

Συμπέρασμα

Το όριο στο οποίο πρέπει να εξισορροπηθεί ο ρυθμός διαστολής και η συνολική ενεργειακή πυκνότητα είναι παράλογα ακριβές. Μια μικροσκοπική αλλαγή τότε θα είχε οδηγήσει σε ένα Σύμπαν πολύ διαφορετικό από αυτό που παρατηρούμε σήμερα. Και όμως, αυτή η συντονισμένη με ακρίβεια κατάσταση περιγράφει το Σύμπαν που έχουμε, το οποίο δεν κατέρρευσε αμέσως σε μια ιδιομορφία και το οποίο δεν επεκτάθηκε πολύ γρήγορα για να μπορέσει να σχηματίσει σύνθετες δομές. Αντιθέτως, προκάλεσε όλη τη θαυμάσια ποικιλομορφία των φαινομένων πυρηνικής, ατομικής, μοριακής, κυτταρικής, γεωλογικής, πλανητικής, αστρικής, γαλαξιακής και ομαδοποίησης που έχουμε σήμερα. Είμαστε αρκετά τυχεροί που είμαστε εδώ αυτή τη στιγμή, για να μαθαίνουμε αυτό που έχουμε και να ασχοληθούμε ακόμη περισσότερο με τη διαδικασία της επιστημονικής γνώσης. 

Το Σύμπαν δεν κατέρρευσε σε μια μαύρη τρύπα λόγω των εξαιρετικά ισορροπημένων συνθηκών κάτω από τις οποίες γεννήθηκε. 

ΠΗΓΗ: physics4u