Καταρρίφθηκε η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν;

Όσα γνωρίζει η επιστήμη δεν είναι ψέμα, ούτε πλάνη των αισθήσεων, ούτε παραίσθηση

ΤΙΝΑ ΝΑΝΤΣΟΥ*

13.06.2021

Όσοι διαβάζουμε τα επιστημονικά νέα στον καθημερινό ηλεκτρονικό τύπο, πέφτουμε συχνά (πολύ συχνά για την ακρίβεια) σε άρθρα που με μεγάλους τίτλους δηλώνουν ότι κάπου έγινε κάποιο πείραμα το οποίο διαψεύδει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Όλα αυτά τα άρθρα που είναι κακές ή εντελώς στρεβλές μεταφράσεις ξενόγλωσσων πηγών, έχουν ένα κοινό: την ομολογιακού ύφους αποκάλυψη ότι όλα όσα γνωρίζουμε είναι ένα ψέμα, μία «πλάνη». Μία τάση που βλέπουμε να αναπτύσσεται με γοργούς ρυθμούς στη δυτική (και πλέον κι ελληνικότατη) κουλτούρα της New Age ψευδοεπιστήμης που περιλαμβάνει από συνομωσίες για Matrix και απόκρυφες θεωρίες μέχρι πάντρεμα της κβαντικής φυσικής με οτιδήποτε μπορεί να φανταστεί κανείς (κβαντική ψυχολογία, θέατρο, διατροφή κτλ).

Ε λοιπόν, λυπάμαι, αλλά όσα γνωρίζει η επιστήμη δεν είναι ψέμα, ούτε πλάνη των αισθήσεων, ούτε παραίσθηση. Η επιστήμη δεν μαντεύει ούτε αυτοσχεδιάζει αλλά επαληθεύει με την παρατήρηση και το πείραμα, όσα με οδηγό τη λογική, υποθέτουμε ότι διέπουν νομοτελειακά τον Φυσικό Κόσμο. Κάθε βήμα στο μακρύ δρόμο της επιστήμης είναι άμεσα συνδεμένο με όλη την προηγούμενη διαδρομή η οποία γνωρίζουμε ότι είναι σωστή γιατί θεωρητικά και πειραματικά δεδομένα συμφωνούν. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας έχει επαληθευτεί εκατομμύρια φορές, με μετρήσεις, πειράματα και τεχνολογικές εφαρμογές της καθημερινότητας όπως το GPS. Στις μικρές κλίμακες της Γης, αν δεν υπήρχε σχετικιστική διόρθωση στη λειτουργία των δορυφορικών επικοινωνιών, αυτές θα αστοχούσαν σε δευτερόλεπτα. Η ΓΘΣ δεν ήταν μία λαμπρή ιδέα που τυχαία συνέλαβε το ιδιοφυές μυαλό του Αϊνστάιν. Η ΓΘΣ ήταν το λογικό και συνεπές, επόμενο βήμα σε μία σειρά βημάτων που εξέλιξαν τη Θεωρητική Μηχανική και τον Ηλεκτρομαγνητισμό, από τον 17ο ως τον 20ο αιώνα. Αυτό όμως που δεν μπορούμε να γνωρίζουμε είναι αν όσα επαληθεύουμε στις μικρές γήινες κλίμακες παραμένουν συνεπή και στις μεγάλες κοσμολογικές κλίμακες, μέχρι τις εσχατιές του ορατού Σύμπαντος. Σε αυτή την περίπτωση το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να παρατηρούμε με τα τηλεσκόπια (και τελευταία μέσω των βαρυτικών κυμάτων – άλλη μία επαλήθευση της ΓΘΣ) και να επεξεργαζόμαστε τα δεδομένα που καταγράφουμε. 

Η παρατηρησιακή αστροφυσική είναι ο μόνος τρόπος επαλήθευσης που έχουμε για μία σειρά θεωρητικών προβλέψεων που δεν μπορούν να δοκιμαστούν στο εργαστήριο. Από τις Μαύρες Τρύπες και το άμεσο περιβάλλον τους (που πρώτη φορά φωτογραφίσαμε το 2019 επαληθεύοντας ξανά τη ΓΘΣ), έως τη Σκοτεινή Υλη και Ενέργεια που τις τελευταίες δεκαετίες απασχολούν τους Κοσμολόγους. Σκοτεινή ενέργεια έχουμε ονομάσει την, άγνωστης φύσης, μορφή ενέργειας που ευθύνεται για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα από τα θέματα για τα οποία ακόμα δεν υπάρχει δυστυχώς κάποια σημαντική εξέλιξη παρόλο που πρέπει να εκφραστεί μέσα από τη ΓΘΣ. Στην προσπάθεια τους να εξηγήσουν αυτά που παρατηρούμε, οι Κοσμολόγοι προτείνουν συχνά, μικρές τροποποιήσεις της ΓΘΣ, τις οποίες ελέγχουν στη συνέχεια μέσω υπολογιστικών μοντέλων για να δουν αν με τους τροποποιημένους φυσικούς νόμους και κάποιες αρχικές συνθήκες, προκύπτει το παρατηρήσιμο Σύμπαν.

Η Κοσμολογία είναι ένας από τα πιο δύσκολους και δυσνόητους ερευνητικούς κλάδους της θεωρητικής Φυσικής. Παρόλα αυτά αποτελεί κι ένα από τα πιο trend θέματα στην επικοινωνία της επιστήμης. Μόνο που στην Ελλάδα για την επιστήμη δίνουν διαλέξεις ή ακόμα και διδάσκουν, άνθρωποι που δεν έχουν καν σπουδάσει θετικές επιστήμες (άλλη μία πρωτοτυπία της χώρας μας). Για να μας εξηγήσει λοιπόν τη σχέση ΓΘΣ με την σκοτεινή ενέργεια και γιατί αυτό δεν αποτελεί επουδενί διάψευση ή κατάρριψη της, ρώτησα τον πλέον ειδικό, τον Κοσμολόγο Δρ. Σπύρο Βασιλάκο, Διευθυντή του Ινστιτούτου Αστρονομίας, Αστροφυσικής Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης (ΙΑΑΔΕΤ) του Εθνικού Αστεροσκοπείο Αθηνών.

Κ. Βασιλάκο, πείτε μας σας παρακαλώ, γιατί όλος αυτός ο θόρυβος περί κατάρριψης της ΓΘΣ και πώς αυτός σχετίζεται με τις σύγχρονες έρευνες στην Κοσμολογία;

Είναι γενικά παραδεκτό στην επιστημονική κοινότητα ότι οι τελευταίες δύο δεκαετίες αποτελούν τη ”χρυσή” περίοδο στην επιστήμη της Κοσμολογίας. Πράγματι η λεπτομερής ανάλυση των παρατηρησιακών δεδομένων τόσο από διαστημικές όσο και από επίγειες παρατηρήσεις συγκλίνουν σε ένα  γενικό κοσμολογικό αποτέλεσμα. Αυτό υποστηρίζει ότι το Σύμπαν δημιουργήθηκε με τη μεγάλη έκρηξη, είναι χωρικά επίπεδο, είναι ομογενές και ισότροπο και έχει ηλικία ~13.8  δισεκατομμυρίων περίπου ετών. Με τη μεγάλη έκρηξη δημιουργείται ο ίδιος ο χωρόχρονος ο οποίος εξασφαλίζει σύμφωνα με τη ΓΘΣ το απαραίτητο υπόβαθρο μέσα στο οποίο το Σύμπαν εξελίσσεται. 

Στην πρώιμη περίοδο το Σύμπαν πέρασε από μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής, που ονομάζεται αρχικός πληθωρισμός η οποία ήταν σύντομης χρονικής διάρκειας και έδωσε μακροσκοπικό μέγεθος στο Σύμπαν. Στη συνέχεια μετά από μία παρατεταμένη περίοδο στην οποία κυριαρχούσαν κατά σειρά η ακτινοβολία και η ύλη, τα τελευταία ~7 δισεκατομμύρια χρόνια το Σύμπαν εισήλθε και πάλι σε φάση επιταχυνόμενης διαστολής. Μάλιστα για αυτή τους την ανακάλυψη οι συνάδελφοι Perlmutτer, Riess και Schmidt τιμήθηκαν με το Νομπελ Φυσικής για το έτος 2011. Γνωρίζουμε επίσης ότι από το συνολικό ποσό υλοενέργειας που περιέχει το Σύμπαν στην παρούσα εποχή, μόνο το ~30% αποτελείται από ύλη, ήτοι 5% κανονική/φωτεινή ύλη (πρωτόνια, ηλεκτρόνια κτλ) και κατά 25%, από σκοτεινή ύλη η οποία δεν εκπέμπει φως αλλά υπακούει στο νόμο βαρύτητας όπως και η φωτεινή ύλη. Παρά την τεράστια πρόοδο που έχει επιτευχθεί σε θεωρητικό άλλα και σε παρατηρησιακό επίπεδο, μέχρι σήμερα δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για τη φύση του υπόλοιπου ~70% το οποίο και ευθύνεται για την σημερινή επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Για το λόγο αυτό σε αυτή τη μορφή ενέργειας της έχει δοθεί η αινιγματική ονομασία ”σκοτεινή ενέργεια”! Πράγματι, κατά την τελευταία δεκαετία υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον στις τάξεις των κοσμολόγων σχετικά με τη φύση αυτής της εξωτικής σκοτεινής ενέργειας.

Όπως αναφέραμε τα τελευταία ~7 δισεκατομμύρια χρόνια η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται εξαιτίας της λεγόμενης σκοτεινής ενέργειας. Για να καταλάβουμε με απλό τρόπο πως λειτουργεί η σκοτεινή ενέργεια, ας θυμηθούμε πρώτα πώς λειτουργεί η βαρύτητα, που είναι ελκτική δύναμη. ´Όταν δύο σώματα απομακρύνονται μεταξύ τους η δυναμική ενέργεια αυξάνει και παράλληλα η κινητική τους ενέργεια ελαττώνεται, οπότε η απομάκρυνσή τους επιβραδύνεται. Με άλλα λόγια, η βαρύτητα που από την φύση της ευθύνεται για την δημιουργία των κοσμικών δομών (γαλαξιών κτλ.), προσπαθεί να «φρενάρει» την ίδια τη διαστολή του Σύμπαντος. Από την άλλη, η σκοτεινή ενέργεια λειτουργεί ακριβώς αντίθετα από τη βαρύτητα, δηλαδή δημιουργεί ένα «απωστικό  πεδίο»  το οποίο μάλιστα κυριαρχεί επί του βαρυτικού πεδίου στη σημερινή εποχή. Δυστυχώς μέχρι σήμερα παρά το γεγονός ότι μπορούμε παρατηρησιακά και μετρούμε τη σχέση μεταξύ βαρύτητας και σκοτεινής ενέργειας, δεν έχουμε καταφέρει να κατανοήσουμε τα φυσικά χαρακτηριστικά της τελευταίας.

Η απουσία μιας θεμελιώδους φυσικής θεωρίας, όσον αφορά τον μηχανισμό επαγωγής της κοσμική επιτάχυνσης και κατ’ επέκταση της σκοτεινής ενέργειας, έχει ανοίξει ένα παράθυρο σε μια πληθώρα εναλλακτικών κοσμολογικών σεναρίων.  Τα περισσότερα από αυτά τα σενάρια βασίζονται είτε στην ύπαρξη νέων πεδίων στη φύση (και άρα νέας φυσικής), ή σε κάποια μικρή τροποποίηση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας σε κοσμολογικές κλίμακες και ελέγχονται από τους ερευνητές στο εάν και κατά πόσο επαληθεύονται από τις σύγχρονες παρατηρήσεις. Σε αυτό ακριβώς το σημείο τα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα από τη μελέτη των παρατηρησιακών δεδομένων επισκόπησης της ομάδας Σκοτεινής Ενέργειας (Dark Energy Survey),  θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο αυτών των κοσμολογικών σεναρίων. Εάν η διατάραξη της σχέσης βαρύτητας−σκοτεινής ενέργειας υπέρ της τελευταίας είναι μεγαλύτερη από αυτή που νομίζαμε, τότε αυτή θα επιδράσει τόσο στη δυναμική του Σύμπαντος όσο και στην ικανότητά του να παράγει κοσμικές δομές (γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών κτλ).  

Η εν λόγω ομάδα σε πρόσφατες δημοσιεύσεις βρήκε ότι τα παρατηρησιακά δεδομένα του Dark Energy Survey είναι γενικά σε καλή συμφωνία με τις προβλέψεις του καθιερωμένου κοσμολογικού προτύπου το οποίο βρίσκεται εντός του πλαισίου της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Σε αυτό το πρότυπο τον ρόλο της Σκοτεινής Ενέργειας τον παίζει η λεγόμενη Κοσμολογική Σταθερά του Αϊνστάιν η οποία επάγει ένα κοσμικό ρευστό σταθερής πυκνότητας και εν τέλει παράγει μια ¨απωστική δύναμη» που δύναται να ερμηνεύσει την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Επιπλέον, η συγκεκριμένη ανάλυση για την οποία συζητούμε έδειξε ότι υπάρχει μια ασθενής ένδειξη ότι η ικανότητα παραγωγής κοσμικών δομών είναι λίγο μικρότερη από τις θεωρητικές προβλέψεις. Ωστόσο αυτό αποτέλεσμα δεν είναι στατιστικά σημαντικό ώστε να μας οδηγήσει αβίαστα στο συμπέρασμα ότι πρέπει να τροποποιήσουμε λίγο την ΓΘΣ σε κοσμολογικές κλίμακες. 

Εν κατακλείδι, γνωρίζουμε πολλά για τον ρόλο που παίζει η σκοτεινή ενέργεια στην εξέλιξη του Σύμπαντος, αλλά γνωρίζουμε ελάχιστα για την φύση της, πχ., γνωρίζουμε ότι επιταχύνει την διαστολή του Σύμπαντος, αλλά όχι με πιο τρόπο. Το μεγάλο ερώτημα είναι εάν η θεωρία χρειάζεται κάποια μικρή τροποποίηση σε μεγάλες κλίμακες ώστε να εξηγήσουμε την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Βασιζόμενοι στη διεθνή βιβλιογραφία φαίνεται ότι μέχρι στιγμής το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο που βρίσκεται εντός πλαισίου της ΓΘΣ περνάει κάθε Κοσμολογικό τεστ, αλλά με μερικές αποκλίσεις. Σύμφωνα με  ορισμένους συναδέλφους αυτές οι αποκλίσεις, μεταξύ άλλων προτάσεων, ίσως σχετίζονται με το ότι η θεωρία σχηματισμού των κοσμικών δομών (γαλαξιών κτλ.) χρειάζεται μικροδιορθώσεις. Άλλοι συνάδελφοι υποστηρίζουν ότι η ΓΘΣ χρειάζεται μια μικρή τροποποίηση σε μεγάλες κλίμακες. Ως Κοσμολόγος, έχω να πω ότι η τελική απάντηση θα δοθεί στα επιστημονικά συνέδρια και στις ερευνητικές εργασίες οι οποίες θα δημοσιευθούν στο μέλλον.  

*Η Τίνα Νάντσου είναι φυσικός

ΠΗΓΗ: www.kathimerini.gr