Γιατί το σύμπαν δεν έχει ηλικία 13,8 δισεκατομμυρίων ετών;

Στην πραγματικότητα, παρά τα όσα έχετε διαβάσει, το τρέχον επιστημονικό μοντέλο δεν λέει ότι το σύμπαν είναι ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών. Αυτό που λέει είναι ότι η Μεγάλη Έκρηξη συνέβη πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. 

Γιατί δεν μπορεί η Μεγάλη Έκρηξη να έχει συμβεί πριν από 8 τετράδισεκατομμύρια χρόνια αντί πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια;

Διάγραμμα:Hubble και κοσμική επέκταση. Πηγή: Kirshner, R P, 2004. Hubble's Diagram and Cosmic Expansion. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

Τι σημαίνει αυτό το γράφημα; Λοιπόν, κάθε σημείο είναι δεδομένα για έναν μόνο γαλαξία, η θέση του στο γράφημα καθορίζεται ως εξής: Η θέση στον οριζόντιο άξονα είναι η απόσταση από εμάς σε αυτόν τον γαλαξία μετρημένη σε megaparsecs (συντομογραφία Mpc, 1 Mpc είναι περίπου 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός), σημειώστε τις οριζόντιες γραμμές που δείχνουν την αβεβαιότητα σε αυτές τις μετρήσεις. Η θέση στον κατακόρυφο άξονα είναι η ταχύτητα ύφεσης του γαλαξία όπως καθορίζεται από την ερυθρή μετατόπισή του. 

Συνοψίζοντας σε απλούς όρους, η μετατόπιση προς το κόκκινο είναι η ποσότητα κατά την οποία έχει αυξηθεί το μήκος κύματος του φωτός που προέρχεται από αυτόν τον γαλαξία. Βλέπουμε αυτό το είδος φαινομένου να συμβαίνει στη Γη με αντικείμενα να απομακρύνονται από εμάς (με αυτόν τον τρόπο μια αστυνομική κάμερα ταχύτητας μετρά την ταχύτητα ενός αυτοκινήτου), επομένως η ταχύτητα ύφεσης που χρησιμοποιείται στο γράφημα είναι η ταχύτητα που ένα αντικείμενο πρέπει να απομακρύνεται από εμάς ώστε να προκληθεί η ίδια μετατόπιση προς το κόκκινο. 

Τι μας λέει λοιπόν αυτό το γράφημα; Λοιπόν, πρώτα από όλα οι δύο ποσότητες (πόσο μακριά είναι ένας γαλαξίας και πόσο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς) έχουν σχέση. Παρατηρήστε, για παράδειγμα, ότι δεν υπάρχουν μακρινοί γαλαξίες («μακρινοί» όσον αφορά την περιοχή ενδιαφέροντος αυτού του χάρτη, δηλαδή) με χαμηλές ταχύτητες ύφεσης, ούτε υπάρχουν κοντινοί γαλαξίες με υψηλές ταχύτητες ύφεσης. Στην πραγματικότητα, το γράφημα δείχνει μια αρκετά σαφή γραμμική (ευθεία γραμμή) συσχέτιση μεταξύ της απόστασης και της ταχύτητας ύφεσης και αυτή η συσχέτιση φαίνεται στο γράφημα. 

Τώρα αυτό το είδος γραμμικής σχέσης είναι ακριβώς αυτό που θα περιμέναμε να δούμε σε ένα ομοιόμορφα διαστελλόμενο σύμπαν, οπότε αυτό είναι ένα ωραίο κομμάτι της παρατήρησης για τη θεωρία του Big Bang. Στην πραγματικότητα μπορούμε να πάμε πιο βαθιά από αυτό. Η κλίση των γραφημάτων όπως αυτή που φαίνεται μας δίνει μια καλή μέτρηση της «ταχύτητας» με την οποία διαστέλλεται το σύμπαν. Αυτή η ποσότητα είναι τόσο σημαντική στην κοσμολογία που της δόθηκε ένα ειδικό όνομα, γνωστό ως η σταθερά Hubble. Χρησιμοποιώντας το παραπάνω γράφημα παίρνουμε μια χονδρική μέτρηση της σταθεράς Hubble περίπου 60 km/s/Mpc. Ωστόσο, πιο αυστηρές και ακριβείς τεχνικές μέτρησης μας δίνουν αριθμούς εντός ενός σταθερά καθορισμένου εύρους περίπου 70 έως 75 km/s/Mpc. [Πηγή: Riess, A. et al, 2016. Προσδιορισμός 2,4% της τοπικής τιμής της σταθεράς Hubble. The Astrophysical Journal].

Γιατί είναι σχετικό; Λοιπόν, από τα τέλη του 20ου αιώνα μπορούμε να πάμε και πάλι καλύτερα. Δείτε αν χρησιμοποιούμε έναν γαλαξία 5 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά για να μετρήσουμε τη σταθερά του Hubble, δεν μετράμε αυτό που είναι τώρα, μετράμε αυτό που ήταν πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια (όταν το φως που μόλις έφτασε τώρα μας εκπέμπεται για πρώτη φορά). 

Χάρη στην ποιότητα των αστρονομικών τεχνικών και του εξοπλισμού μπορούμε να έχουμε μια αίσθηση όχι μόνο για το τι είναι τώρα η σταθερά Hubble (που μετρά τον ρυθμό επέκτασης ) αλλά και πώς άλλαξε με την πάροδο του χρόνου. Αυτό, παρεμπιπτόντως, ήταν που μας έδωσε την εκπληκτική ανακάλυψη που ανακοινώθηκε το 1998 ότι η διαστολή του σύμπαντος στην πραγματικότητα επιταχύνεται (με άλλα λόγια η σταθερά Hubble αυξάνεται), παρά τις επιπτώσεις της βαρύτητας. 

Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, και την κατανόησή μας για τη σχετική φυσική, μπορούμε να εκτελέσουμε τη διαστολή του σύμπαντος προς τα πίσω. Σήμερα αυτό γίνεται φυσικά με υπολογιστές, αλλά στις πρώτες μέρες αυτού που θα γινόταν γνωστό ως Big Bang Theory αυτό γινόταν με μολύβι και χαρτί. Η διαδικασία είναι λίγο σαν να παρακολουθείτε το ταξίδι ενός αυτοκινήτου, αν γνωρίζετε την ταχύτητα του αυτοκινήτου (ισοδύναμη με τη σταθερά Hubble στην περίπτωσή μας) μπορείτε να έχετε μια πολύ καλή ιδέα για την απόσταση που έχει διανύσει. 

Τι βρίσκουμε λοιπόν με τη διαδικασία; Καθώς γυρίζουμε το ρολόι μας προς τα πίσω, το σύμπαν του μοντέλου μας συστέλλεται, συσσωρεύοντας την ίδια ποσότητα ενέργειας σε μικρότερο όγκο. Ως εκ τούτου, θερμαίνεται (με άλλα λόγια, η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει ότι το σύμπαν μας ήταν θερμότερο στο παρελθόν και έκτοτε κρυώνει). Καθώς γυρίζουμε το ρολόι προς τα πίσω, βλέπουμε μερικά σημαντικά ορόσημα: Φτάνουμε σε ένα σημείο όπου η θερμοκρασία είναι τόσο υψηλή που αστέρια, πλανήτες, γαλαξίες και ούτω καθεξής απλά δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν, οποιοσδήποτε σχηματίστηκε θα σχιζόταν σε άτομα από τις ακραίες θερμοκρασίες. Έτσι πριν από αυτό το διάστημα μεγάλα αντικείμενα απλά δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν. 

Πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια βρίσκουμε ένα σημείο όπου η θερμοκρασία είναι τόσο υψηλή που ακόμη και άτομα δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν. Πριν από αυτό το σημείο η ύλη μπορεί να υπάρχει μόνο ως ατομικοί πυρήνες, ελεύθερα ηλεκτρόνια, νετρίνα και διάφορα σωματίδια υψηλής ενέργειας.

 Περίπου 380.000 χρόνια πριν από το ορόσημο, η θερμοκρασία είναι τόσο υψηλή που δεν μπορούν να υπάρχουν ατομικοί πυρήνες, επομένως το υλικό που βρίσκεται τώρα σε άτομα θα υπήρχε ως ελεύθερα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Λίγα λεπτά πριν ακόμη και πρωτόνια και νετρόνια δεν μπορούν να υπάρχουν. Επομένως, η ύλη σε αυτό το σημείο αποτελείται από ένα μείγμα κουάρκ (τα σωματίδια που συνδυάζονται για να δημιουργήσουν πρωτόνια και νετρόνια), ηλεκτρονίων, νετρίνων και διαφόρων σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Αυτό το μείγμα σωματιδίων αναφέρεται ανεπίσημα ως «σούπα κουάρκ». 

Ένα κλάσμα του δευτερολέπτου πριν , φτάνουμε σε ένα σημείο που το μοντέλο μας δεν μπορεί να μας περάσει. Πριν από αυτό το σημείο η πυκνότητα είναι τόσο υψηλή που η βαρύτητα γίνεται σημαντική δύναμη ακόμα και στην πολύ μικρή κλίμακα. 

Το πρόβλημα είναι ότι η φυσική των πολύ μικρών αντικειμένων (Κβαντική Μηχανική) και η πλήρης φυσική της βαρύτητας (Γενική Σχετικότητα) δεν συνδυάζονται πολύ καλά. Οπότε δεν ξέρουμε τι συνέβη πέρα ​​από αυτό το σημείο. 

Τώρα το ορόσημο είναι γνωστό ως «Big Bang» και οι κοσμολόγοι το αντιμετωπίζουν ως χρόνο μηδέν. Ωστόσο, η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης δεν προσπαθεί να εξηγήσει από πού προήλθε αυτό το εξαιρετικά καυτό, πυκνό σύμπαν. Απλώς περιγράφει πώς επεκτάθηκε και ψύχθηκε για περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια για να γίνει το σύμπαν στο οποίο ζούμε τώρα. Αυτό περιορίζει τη θεωρία σε αυτό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνει προβλέψεις σχετικά με το τι πρέπει να βρούμε στο σύμπαν μας, επιτρέποντας στους επιστήμονες να διαψεύσουν ή να υποστηρίξουν θεωρία με πραγματικά στοιχεία.

Φυσικά, υπάρχουν εικασίες σχετικά με το από πού προήλθε το σύμπαν μας (και ορισμένα από αυτά είναι εύλογα επιστημονικά), ωστόσο, καμία από αυτές τις εικασίες δεν είναι ελεγχόμενη. Εν ολίγοις οι κοσμολόγοι χρονολογούν τη Μεγάλη Έκρηξη πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, εξετάζοντας πόσο γρήγορα έχει διασταλεί και υπολογίζοντας πόσο χρόνο θα χρειαζόταν για το απίστευτα ζεστό και πυκνό πρώιμο σύμπαν να διασταλεί και να ψυχθεί στο δικό μας. 

Η διαδικασία στην πραγματικότητα δεν είναι παρόμοια με τον υπολογισμό πριν από πόσο καιρό ένα αυτοκίνητο ξεκίνησε έναν αγώνα εξετάζοντας την ταχύτητά του και το μήκος της πίστας.

Samuel Green/quora.com

περισσότερα,

https://science.nasa.gov/astrophysics/science-questions/how-do-matter-energy-space-and-time-behave-under-the-extraordinarily-diverse-conditions-of-the-cosmos/

https://www.quora.com/Why-cant-our-universe-be-8-quadrillion-years-old-instead-of-13-8-billion