Η Μεγάλη Έκρηξη είναι η επικρατούσα θεωρία για την εκρηκτική γέννηση του Σύμπαντος, η οποία επιβεβαιώνεται από πολλές παρατηρήσεις στο σύγχρονο σύμπαν. Τι θα γινόταν όμως αν η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή, αλλά το αποτέλεσμα κάτι άλλου, πιο οικείου και ταυτόχρονα πιο ριζοσπαστικού;
Σε μια νέα εργασία, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review D, μια ομάδα επιστημόνων προτείνουν μια εντυπωσιακή εναλλακτικοί. Οι υπολογισμοί της ομάδας υποδηλώνουν πως η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή των Πάντων, αλλά το αποτέλεσμα μιας βαρυτικής σύνθλιψης ή κατάρρευσης, που σχημάτισε μια πολύ ογκώδη μαύρη τρύπα, ακολουθούμενη από μια αναπήδηση στο εσωτερικό της.
Αυτή η ιδέα, την οποία ονόμασαν σύμπαν μαύρης τρύπας, προσφέρει μια ριζικά διαφορετική άποψη για την κοσμική προέλευση, ωστόσο βασίζεται εξ ολοκλήρου στη γνωστή φυσική και τις παρατηρήσεις.
Το σημερινό πρότυπο κοσμολογικό μοντέλο , που βασίζεται στη Μεγάλη Έκρηξη και τον κοσμικό πληθωρισμό (την ιδέα ότι το πρώιμο Σύμπαν εξερράγη ραγδαία σε μέγεθος), έχει σημειώσει αξιοσημείωτη επιτυχία στην εξήγηση της δομής και της εξέλιξης του Σύμπαντος. Αλλά έχει ένα τίμημα: αφήνει αναπάντητα μερικά από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα.
Αρχικά το μοντέλο της Μεγάλη Έκρηξης ξεκινάει με ένα singularity (μοναδικότητα), ένα σημείο άπειρης πυκνότητας όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν. Αυτό δεν είναι απλά ένα σφάλμα, αλλά ένα θεωρητικό πρόβλημα που δείχνει πως δεν κατανοούμε καθόλου την αρχή.
Για να εξηγήσουν τη μεγάλης κλίμακας δομή του Σύμπαντος, οι φυσικοί εισήγαγαν μια σύντομη φάση ταχείας διαστολής στο πρώιμο Σύμπαν που ονομάζεται κοσμικός πληθωρισμός , η οποία τροφοδοτείται από ένα άγνωστο πεδίο με παράξενες ιδιότητες. Αργότερα, για να εξηγήσουν την επιταχυνόμενη διαστολή που παρατηρείται σήμερα, πρόσθεσαν ένα άλλο «μυστηριώδες» συστατικό: τη σκοτεινή ενέργεια.
Έτσι, το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας λειτουργεί μεν καλά, αλλά μόνο εισάγοντας νέα συστατικά που δεν έχουμε παρατηρήσει ποτέ άμεσα, όπως η σκοτεινή ενέργεια. Εν τω μεταξύ, τα πιο βασικά ερωτήματα παραμένουν ανοιχτά: από πού προήλθαν όλα; Γιατί ξεκίνησαν με αυτόν τον τρόπο; Και γιατί το Σύμπαν είναι τόσο επίπεδο, λείο και μεγάλο;
Το νέο μοντέλο που προτείνει η ομάδα, αντιμετωπίζει αυτά τα ερωτήματα από μια διαφορετική οπτική γωνία, κοιτάζοντάς το προς τα μέσα αντί για προς τα έξω. Αντί να ξεκινήσουμε με ένα διαστελλόμενο Σύμπαν και να προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε πώς ξεκίνησε, εξετάζουμε τι συμβαίνει όταν μια υπερβολικά πυκνή συλλογή ύλης καταρρέει υπό την επίδραση της βαρύτητας.
Αυτό είναι αρκετά γνώριμο σαν διαδικασία. Τα αστέρια καταρρέουν και γίνονται μαύρες τρύπες, που είναι από τα πιο άγνωστα και ταυτόχρονα από τα πιο κατανοητά αντικείμενα στη φυσική. Γνωρίζουμε ακριβώς πως δουλεύουν, όμως δεν έχουμε καμία γνώση για το τι συμβαίνει πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων, από τη στιγμή που τίποτα δεν ξεφεύγει από την μαύρη τρύπα, αν περάσει αυτό το σημείο.
Το 1965, ο Βρετανός φυσικός Ρότζερ Πένροουζ απέδειξε ότι υπό πολύ γενικές συνθήκες, η βαρυτική κατάρρευση πρέπει να οδηγεί σε μια μοναδικότητα . Αυτό το αποτέλεσμα, που επεκτάθηκε από τον αείμνηστο Βρετανό φυσικό Στίβεν Χόκινγκ και άλλους , υποστηρίζει την ιδέα ότι οι μοναδικότητες – όπως αυτή της Μεγάλης Έκρηξης – είναι αναπόφευκτες.
Η ιδέα βοήθησε τον Penrose να κερδίσει ένα μερίδιο του βραβείου Νόμπελ Φυσικής του 2020 και ενέπνευσε τον Hawking να γράψει το παγκόσμιο best seller « Μια Σύντομη Ιστορία του Χρόνου: Από τη Μεγάλη Έκρηξη στις Μαύρες Τρύπες».
Υπάρχει όμως μια προειδοποίηση σε αυτό το σημείο. Αυτά τα «θεωρήματα μοναδικότητας» βασίζονται στην «κλασική φυσική» η οποία περιγράφει τα συνηθισμένα μακροσκοπικά αντικείμενα. Αν συμπεριλάβουμε τις επιδράσεις της κβαντομηχανικής, η οποία διέπει τον μικροσκοπικό μικρόκοσμο των ατόμων και των σωματιδίων, όπως πρέπει να κάνουμε σε ακραίες πυκνότητες, η ιστορία μπορεί να αλλάξει.
Στην νέα εργασία βλέπουμε πως μια βαρυτική κατάρρευση δεν είναι απαραίτητο να καταλήξει σε μια μοναδικότητα. Βλέπουμε μια ακριβή αναλυτική λύση, ένα μαθηματικό αποτέλεσμα χωρίς προσεγγίσεις. Τα μαθηματικά μας δείχνουν ότι καθώς πλησιάζουμε την πιθανή μοναδικότητα, το μέγεθος του Σύμπαντος αλλάζει ως (υπερβολική) συνάρτηση του κοσμικού χρόνου.
Αυτή η απλή μαθηματική λύσει περιγράφει επαρκώς πως ένα νέφος ύλης που καταρρέει, μπορεί να φτάσει σε κατάσταση υψηλής πυκνότητας και στη συνέχεια να αναπηδήσει, ανακάμπτοντας προς τα έξω, σε μια νέα φάση διαστολής.
Αλλά πώς γίνεται τα θεωρήματα του Penrose να απαγορεύουν τέτοια αποτελέσματα; Όλα εξαρτώνται από έναν κανόνα που ονομάζεται κβαντική αρχή αποκλεισμού , η οποία δηλώνει ότι δύο πανομοιότυπα σωματίδια, γνωστά ως φερμιόνια, δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση (όπως η στροφορμή ή «σπιν»).
Στην νέα μελέτη βλέπουμε πως αυτός ο κανόνας εμποδίζει τα σωματίδια στην καταρρέουσα ύλη να συμπιέζονται επ’ αόριστον. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η κατάρρευση να σταματά και να αντιστρέφεται. Μάλιστα, η αναπήδηση δεν είναι μόνο δυνατή, αλλά και αναπόφευκτη υπό κατάλληλες συνθήκες.
Το εντυπωσιακό που έχει αυτή η μελέτη, είναι πως αυτή η αναπήδηση συμβαίνει εξ ολοκλήρου στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας, που εφαρμόζεται σε μεγάλες κλίμακες, όπως τα αστέρια και τους γαλαξίες, σε συνδυασμό με τις βασικές αρχές της κβαντομηχανικής. Με αυτό τον τρόπο δεν απαιτούνται εξωτικά πεδία, επιπλέον διαστάσεις ή θεωρητική φυσική.
Αυτό που προκύπτει στην άλλη πλευρά της ανάκαμψης είναι ένα σύμπαν εντυπωσιακά παρόμοιο με το δικό μας. Ακόμα πιο εκπληκτικό είναι ότι η ανάκαμψη παράγει φυσικά τις δύο ξεχωριστές φάσεις επιταχυνόμενης διαστολής – τον πληθωρισμό και τη σκοτεινή ενέργεια – που δεν καθοδηγούνται από υποθετικά πεδία αλλά από τη φυσική της ίδιας της ανάκαμψης.
Ένα από τα δυνατά σημεία αυτού του μοντέλου είναι ότι κάνει ελέγξιμες προβλέψεις. Προβλέπει μια μικρή αλλά μη μηδενική ποσότητα θετικής χωρικής καμπυλότητας – που σημαίνει ότι το σύμπαν δεν είναι ακριβώς επίπεδο, αλλά ελαφρώς καμπυλωμένο, όπως η επιφάνεια της Γης.
Αυτό όμως είναι λείψανο της αρχική υπερπυκνότητας που πυροδότησε την κατάρρευση. Εάν μελλοντικές παρατηρήσεις, όπως η συνεχιζόμενη αποστολή Ευκλείδης , επιβεβαιώσουν μια μικρή θετική καμπυλότητα, αυτό θα ήταν μια ισχυρή ένδειξη ότι το σύμπαν μας όντως αναδύθηκε από μια τέτοια αναπήδηση. Κάνει επίσης προβλέψεις για τον τρέχοντα ρυθμό διαστολής του σύμπαντος, κάτι που έχει ήδη επαληθευτεί.
Αυτό το μοντέλο κάνει περισσότερα από το να διορθώνει τεχνικά προβλήματα με την τυπική κοσμολογία. Θα μπορούσε επίσης να ρίξει νέο φως σε άλλα βαθιά μυστήρια στην κατανόησή μας για το πρώιμο σύμπαν – όπως η προέλευση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, η φύση της σκοτεινής ύλης ή ο ιεραρχικός σχηματισμός και εξέλιξη των γαλαξιών.
Το σύμπαν των μαύρων τρυπών προσφέρει επίσης μια νέα προοπτική για τη θέση μας στο σύμπαν. Σε αυτό το πλαίσιο, ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν μας βρίσκεται στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας που σχηματίστηκε σε κάποιο μεγαλύτερο «γονικό» σύμπαν.
