Τα άλυτα μυστήρια της Φυσικής και του Σύμπαντος

Του Κώστα Δεληγιάννη

Το 1900, ο Βρετανός φυσικός Λόρδος Κέλβιν είχε πει: «Δεν υπάρχει πλέον τίποτε νέο να ανακαλυφθεί στη φυσική. Το μόνο που απομένει είναι οι μετρήσεις να γίνουν ακόμη περισσότερο ακριβείς».

Δεν χρειάστηκε να περάσουν περισσότερο από δύο δεκαετίες για να διαψευσθεί παταγωδώς, αφού η κβαντική φυσική και η Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν άνοιξαν ένα «παράθυρο» σε έναν άγνωστο έως τότε και αινιγματικό «κόσμο».

Το αποτέλεσμα είναι ότι σήμερα κανείς ερευνητής δεν μιλά για το «τέλος της Φυσικής», αφού υποτίθεται πως έχουμε καταλάβει πλήρως την πραγματικότητα που μας περιβάλλει.

Αντίθετα, κάθε νέα ανακάλυψη φαίνεται να γίνεται η αιτία για ακόμη μεγαλύτερα και βαθύτερα ερωτήματα γι' αυτήν την πραγματικότητα.

Από αυτά τα ερωτήματα, πέντε «γρίφοι» προβάλλουν αυτή τη στιγμή ως τα μεγαλύτερα «μυστήρια» της Φυσικής.

Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;

Εδώ και δεκαετίες, οι αστροφυσικοί έχουν στη διάθεσή τους δεδομένα που επιβεβαιώνουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό.

Το γεγονός αυτό σημαίνει πως η συμπεριφορά του σύμπαντος δεν καθορίζεται αποκλειστικά από τις βαρυτικές έλξεις, αλλά ότι υπάρχει μία μυστηριώδης απωστική δύναμη, η σκοτεινή ενέργεια όπως την έχουν ονομάσει, η οποία έχει υπερνικήσει τη βαρύτητα σε κοσμική κλίμακα.

Από τον ρυθμό της συμπαντικής διαστολής, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι αντιστοιχεί περίπου στο 70% της ύλης-ενέργειας του σύμπαντος.

Ωστόσο, η φύση της σκοτεινής ενέργειας παραμένει άγνωστη.

Έτσι, είναι ακόμη αδιευκρίνιστο αν πίσω από αυτό τον όρο κρύβεται μία σταθερή πυκνότητα ενέργειας που κατακλύζει ομογενώς τον χώρο, όπως είχε προτείνει ο Αϊνστάιν πριν από 100 χρόνια, ή κάποιο άλλο φυσικό φαινόμενο.

Τι είναι η σκοτεινή ύλη;

Αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν δείξει επίσης ότι το 27% του σύμπαντος αντιστοιχεί σε μία εξωτική μορφή ύλης, που δεν απορροφά, ούτε εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Η σκοτεινή ύλη, όπως έχει ονομασθεί, δεν μπορεί επομένως να παρατηρηθεί άμεσα.

Εντούτοις, μέχρι σήμερα δεν έχει ανιχνευθεί ούτε με έμμεσο τρόπο, με συνέπεια οι μόνες πληροφορίες που έχουν οι επιστήμονες να προέρχονται από τη βαρυτική της επίδραση σε κοσμικές δομές, όπως οι γαλαξίες.

Μία από τις πιο διαδεδομένες θεωρίες για τα «συστατικά» της είναι ένα υποθετικό είδος σωματιδίων ονόματι WIMP (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα), ενώ σε όλο τον κόσμο βρίσκονται σε εξέλιξη αρκετά πειράματα με στόχο να εξιχνιάσουν τη φύση της.

Κάθε νέα ανακάλυψη φαίνεται να γίνεται η αιτία για ακόμη μεγαλύτερα και βαθύτερα ερωτήματα.
 

Πού οφείλεται το βέλος του χρόνου;

Ο χρόνος έχει μία μόνο κατεύθυνση, αφού εξελίσσεται από το παρελθόν προς το παρόν.

Αυτή η ιδιότητα, που ονομάσθηκε «βέλος του χρόνου» από τον αστροφυσικό Άρθουρ Έντιγκτον το 1927, οφείλεται σε μία ιδιότητα γνωστή ως εντροπία.

Η εντροπία είναι ένα μέτρο της αταξίας ενός συστήματος και, σύμφωνα με τη θερμοδυναμική, δεν μπορεί αυθόρμητα να μειωθεί. Συνεπώς, κάθε σύστημα που δεν δέχεται εξωτερικές επιδράσεις μεταβαίνει σε καταστάσεις ολοένα μεγαλύτερης αταξίας.

Αυτό σημαίνει ότι οι μεταβολές των συστημάτων είναι μη αντιστρεπτές (π.χ. τα μόρια ενός αερίου που θα μπουν σε ένα δοχείο θα διασκορπισθούν σε όλο το εσωτερικό του), κάτι που όμως είναι ασύμβατο με τους νόμους της Φυσικής, οι οποίοι μπορούν να λειτουργήσουν εξίσου καλά τόσο προς τα «εμπρός» όσο και προς τα «πίσω» στον χρόνο.

Σημαίνει επίσης ότι το σύμπαν ξεκίνησε από μια κατάσταση εξαιρετικά απίθανα χαμηλής εντροπίας, χωρίς οι επιστήμονες να μπορούν να εξηγήσουν γιατί αυτό το παρελθόν χαρακτηριζόταν από μέγιστη «οργάνωση».

Γιατί η ύλη επικράτησε της αντιύλης;

Το ερώτημα αυτό ανάγεται ουσιαστικά στον «γρίφο» του γιατί υπάρχουμε. Με βάση τους νόμους της φυσικής, με τη Μεγάλη Έκρηξη θα πρέπει να δημιουργήθηκαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης.

Τότε, όμως κάθε σωματίδιο που θα συγκρουόταν με το αντίστοιχο αντισωματίδιό του, όπως ένα πρωτόνιο με ένα αντιπρωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο με ένα ποζιτρόνιο, θα έπρεπε να εξαϋλωθεί.

Επομένως, το μόνο που θα έπρεπε να απομείνει θα ήταν μία «θάλασσα» φωτονίων, σε ένα άυλο σύμπαν.

Για κάποιον λόγο, όμως, υπήρξε μία μικρή ασυμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη, η οποία έδωσε τη δυνατότητα στον «κόσμο» να εξελιχθεί στη σημερινή του μορφή.

Ασυμμετρία που δεν έχει εξηγηθεί έως σήμερα, αφού ακόμη και το πιο λεπτομερές πείραμα μελέτης πιθανών διαφορών στις ιδιότητές τους έληξε τον περασμένο Αύγουστο χωρίς κάποιο απτό αποτέλεσμα.

Ποια είναι η μοίρα του σύμπαντος;

Το «φινάλε» που θα έχει το σύμπαν εξαρτάται από την τιμή της παραμέτρου Ω, η οποία αποτελεί ένα μέτρο της πυκνότητας της ύλης και της ενέργειας.

Με βάση τα παρατηρησιακά δεδομένα, αυτή τη στιγμή το πιο επικρατέστερο σενάριο είναι πως η Ω ισούται περίπου με 1, δηλαδή ότι το σύμπαν να είναι επίπεδο.

Αυτό σημαίνει πως θα συνεχίσει να διαστέλλεται, οδηγούμενο αργά αλλά σταθερά σε «Θερμικό Θάνατο» (Heat Death), δηλαδή σε μία κατάσταση όπου η θερμοκρασία θα είναι απειροελάχιστα μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν και ο «κόσμος» θα γίνει σκοτεινός και ψυχρός.

Σε πρώτη φάση, προοδευτικά θα σταματήσει η δημιουργία νέων αστέρων, ενώ τα υπάρχοντα αστέρια θα έχουν «σβήσει» το ένα μετά το άλλο, καθώς θα έχουν εξαντληθεί τα καύσιμά τους.

Αν και το τι ακριβώς θα συμβεί μετά βασίζεται ακόμη περισσότερο σε εικασίες, το βέβαια είναι πως στη συνέχεια θα εξαφανισθούν και οι μαύρες τρύπες, λόγω της ακτινοβολίας που εκπέμπουν.