Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Ο Αϊνστάιν, για να διατηρήσει την τότε πεποίθηση περί στατικού σύμπαντος, εισήγαγε την κοσμολογική σταθερά ως απωστική δύναμη, κάτι που αργότερα χαρακτήρισε ως το «μεγαλύτερο σφάλμα» του.
- Το 1998, αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, ανατρέποντας την προσδοκία για επιβράδυνση που προκαλεί η ύλη.
- Η κοσμολογική σταθερά, που συνδέεται με τη σκοτεινή ενέργεια, αναβίωσε ως η καλύτερη εξήγηση για την επιταχυνόμενη διαστολή, αποτελώντας τη βάση του επιτυχημένου μοντέλου Λάμδα-CDM, το οποίο όμως «είναι σχεδόν βέβαιο ότι είναι λάθος».
Η βαρύτητα, ως η μόνη δύναμη διαμόρφωσης του σύμπαντος, δημιουργούσε αστάθεια στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, οδηγώντας σε πρόβλεψη κατάρρευσης ενός στατικού κόσμου.
Για να εξισορροπήσει αυτή την έλξη και να διατηρήσει την τότε πεποίθηση περί στατικού σύμπαντος, ο Αϊνστάιν εισήγαγε την κοσμολογική σταθερά ως απωστική δύναμη. Η σκοτεινή ενέργεια αναβίωσε την απορριφθείσα κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν και αναδιαμόρφωσε το κυρίαρχο μοντέλο του σύμπαντος.
Το 1917, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε πρόσφατα ολοκληρώσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας, το πλαίσιο που μεταμόρφωσε τον τρόπο με τον οποίο η φυσική κατανοεί τη βαρύτητα. Σύντομα εφάρμοσε αυτές τις εξισώσεις σε ένα πολύ μεγαλύτερο ερώτημα: πώς αλλάζει το σύμπαν με την πάροδο του χρόνου.
Η βαρύτητα ήταν το φυσικό σημείο εκκίνησης. Το σύμπαν είναι ηλεκτρικά ουδέτερο κατά μέσο όρο, επομένως ο ηλεκτρομαγνητισμός δεν μπορεί να εξηγήσει τη συμπεριφορά του στις μεγαλύτερες κλίμακες.
Ο Αϊνστάιν δεν γνώριζε επίσης τίποτα για την ισχυρή και την ασθενή πυρηνική δύναμη (για να είμαστε δίκαιοι, κανείς δεν γνώριζε τότε), αλλά και οι δύο δρουν μόνο σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις. Η κοσμολογία, επομένως, ξεκινά με τη βαρύτητα.
Από τη στιγμή που οι φυσικοί συγκεντρώνουν την ύλη και την ενέργεια σε αυτό που ονομάζουν «σύμπαν», μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για να αναζητήσουν τον τρόπο με τον οποίο αυτό θα έπρεπε να εξελιχθεί.
Η απάντηση τον εξέπληξε. Η γενική σχετικότητα περιέγραφε με φυσικό τρόπο ένα δυναμικό σύμπαν, το οποίο είτε διαστελλόταν είτε συστελλόταν, ενώ η κυρίαρχη επιστημονική άποψη υποστήριζε ότι το σύμπαν ήταν στατικό και είχε παραμείνετε αμετάβλητο καθ’ όλη τη διάρκεια της ιστορίας του.
Ο Αϊνστάιν αναγκάζει το σύμπαν να μείνει στάσιμο
Αντί να αποδεχθεί αυτό που υποδείκνυαν οι εξισώσεις του, ο Αϊνστάιν τις προσάρμοσε ώστε να συμβαδίζουν με τις παρατηρήσεις και τις παραδοχές της εποχής του. Εισήγαγε μια «κοσμολογική σταθερά», η οποία συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα Λάμδα (Λ) και ήταν ήδη συμβατή με τη γενική σχετικότητα.
Η σταθερά αυτή λειτουργεί ως μια βαρυτική επίδραση ενσωματωμένη στον ίδιο τον χωροχρόνο, ακόμη και στον κατά τα άλλα κενό χώρο. Ανάλογα με την τιμή της, μπορεί να προκαλέσει έλξη ή απώθηση. Ο Αϊνστάιν επέλεξε μια τιμή που εξισορροπούσε τη βαρυτική έλξη της ύλης, επιτρέποντας στο μοντέλο του σύμπαντός του να παραμείνει σταθερό.
Μόλις λίγα χρόνια αργότερα, ο Έντουιν Χαμπλ θα ανακάλυπτε ότι το σύμπαν διαστέλλεται, και άλλοι θεωρητικοί, όπως ο Ρώσος κοσμολόγος Αλεξάντερ Φρίντμαν, θα έπαιρναν τις εξισώσεις του Αϊνστάιν τοις μετρητοίς, παρέχοντας το θεωρητικό υπόβαθρο για τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang).
Όσο για τον ίδιο τον Αϊνστάιν, αργότερα θα σχολίαζε σε φίλους του ότι η προσθήκη της κοσμολογικής σταθεράς ήταν το «μεγαλύτερο σφάλμα» του.
Η αναμενόμενη επιβράδυνση μετατρέπεται σε επιτάχυνση
Μεταφερόμαστε γρήγορα στο 1998. Δύο ομάδες αστρονόμων ξεκίνησαν να διευθετήσουν μια συζήτηση δεκαετιών σχετικά με το πόση ύλη υπήρχε στο σύμπαν. Ορισμένες παρατηρήσεις έλεγαν ότι δεν υπήρχε σχεδόν καθόλου ύλη, ενώ άλλες υποστήριζαν ότι υπήρχε πολλή.
Το σύμπαν διαστελλόταν, αλλά η ύλη στο εσωτερικό του θα έπρεπε να επιβραδύνει αυτή τη διαστολή – μετρώντας την επιβράδυνση, θα μπορούσαν να κατανοήσουν αυτή την ποσότητα της ύλης και να λήξουν τη διαμάχη.
Αυτό έκαναν… κατά κάποιο τρόπο. Αντί να βρουν επιβράδυνση, μέτρησαν επιτάχυνση. Συνέβαινε να μην υπάρχει πολύ μεγάλη ποσότητα ύλης στο σύμπαν, αλλά ακόμη και αυτή που υπάρχει εκεί, δεν είναι αρκετή για να επιβραδύνει τη διαστολή.
Όσο για αυτή την επιτάχυνση, ο απλούστερος τρόπος για να εξηγηθεί είναι, καλά το μαντέψατε, να επικαλεστούμε την κοσμολογική σταθερά, ένα θεμελιώδες υπόβαθρο αντιβαρύτητας που απλώς υπάρχει στο σύμπαν. Δεκαετίες αφότου ο Αϊνστάιν διέγραψε το σφάλμα του, η σταθερά επέστρεψε δυναμικά στο προσκήνιο ως η καλύτερη εξήγηση για τα δεδομένα.
Η σκοτεινή ενέργεια αντικαθιστά το παλιό μοντέλο
Μέχρι τις δεκαετίες του 1980 και του 1990, οι κοσμολόγοι είχαν οικοδομήσει ένα λεπτομερές πλαίσιο γνωστό, κάπως τολμηρά, ως το Καθιερωμένο Μοντέλο της Κοσμολογίας (οι φυσικοί έχουν μια τάση να ονομάζουν «Καθιερωμένα» τα συνεκτικά, συλλογικά μοντέλα συναίνεσης).
Η ανακάλυψη ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται κατέστησε αυτό το μοντέλο παρωχημένο. Η αντικατάστασή του είναι η καλύτερη τρέχουσα περιγραφή μας για το πώς εξελίχθηκε το σύμπαν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη: Η κοσμολογία Λάμδα-CDM (LCDM).
Το Λάμδα αντιπροσωπεύει την κοσμολογική σταθερά, η οποία συνήθως συνδέεται με τη σκοτεινή ενέργεια. Το CDM σημαίνει ψυχρή σκοτεινή ύλη (cold dark matter), η οποία παρέχει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας σχεδόν σε κάθε γαλαξία.
Η ψυχρή σκοτεινή ύλη αποτελεί ξεχωριστό θέμα, επομένως η εστίαση εδώ είναι στο Λάμδα. Ένα επιτυχημένο μοντέλο μπορεί παρ’ όλα αυτά να αποτύχει. Το μοντέλο LCDM είναι εξαιρετικά επιτυχημένο.
Είναι ένα σχετικά απλό μοντέλο: λίγες μόνο ελεύθερες παράμετροι και μερικές παραδοχές που λειτουργούν μέσα στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας. Και με αυτό το μοντέλο, είμαστε σε θέση να εξηγήσουμε τόσα πολλά για το σύμπαν: το ιστορικό της διαστολής του, την εμφάνιση της ακτινοβολίας υποβάθρου, το χαρακτηριστικό BAO (Βαρυονικές Ακουστικές Ταλαντώσεις), την ανάπτυξη των γαλαξιών και των μεγάλων δομών, και ούτω καθεξής.
Είναι μία από τις πιο καλά μελετημένες και δοκιμασμένες θεωρίες σε ολόκληρη την επιστήμη. Και είναι σχεδόν βέβαιο ότι είναι λάθος.