Γράφει:

Επιστροφή στην Μεγάλη Έκρηξη

του Χαράλαμπου Τσέρτου

Η αρχή του σύμπαντος

Σύμφωνα με το σημερινό επίπεδο των επιστη-μονικών μας γνώσεων, η αρχή του Σύμπαντος σηματοδοτήθηκε από μία μεγάλη, αρχέγονη, έκρηξη (big bang). Από αυτήν προέκυψε ο χώρος και ο χρόνος. Από εκείνη την στιγμή άρχισε να κτυπά αδυσώπητα το κοσμικό ρολόι, το βέλος του οποίου δείχνει πάντα προς το μέλλον και καθορίζει τις εξελίξεις στο Σύμπαν.

Πριν την αρχέγονη έκρηξη δεν υπήρχε τίποτα που μπορεί να περιγραφεί με τους γνωστούς νόμους της φυσικής. Το Σύμπαν και όλη του η ενέργεια ήταν συγκεντρωμένα σ” ένα σημείο άπειρης πυκνότητας, μία ιδιάζουσα κατάσταση η οποία από μαθηματική άποψη είναι μία ανωμαλία ή μοναδικότητα (singularity) στον χρόνο. Δεν υπήρχε ούτε ύλη ούτε χώρος, ούτε χρόνος.

Ακολούθως, και για λόγους ακόμη άγνωστους, το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται προς όλες τις κατευθύνσεις ως μία εκρηγνυόμενη πύρινη σφαίρα. Αυτό συνέβη πριν από, περίπου, 15 δισεκατομμύρια έτη (πιο πρόσφατες παρατηρήσεις περιορίζουν την ηλικία του Σύμπαντος σε περίπου 13.7 δισεκατομμύρια έτη). Σε αυτή την αρχική φάση του Σύμπαντος κυριαρχούσαν ασύλληπτα υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες. Όλη η ύλη τού Σύμπαντος ήταν αποσυντεθειμένη στους στοιχειώδεις δομικούς της λίθους (ηλεκτρόνια, κουάρκς, γκλουόνια), σχηματίζοντας μια κοχλάζουσα, κοσμική, αρχέγονη «σούπα».

Έκτοτε το Σύμπαν εξακολουθεί συνεχώς να διαστέλλεται και να ψύχεται όλο και περισσότερο. Σ” ένα δραματικό παιχνίδι εναλλαγής μεταξύ τυχαιότητας και αναγκαιότητας, και στο οποίο πρωτεύοντα ρόλο έπαιξε η δημιουργία και η καταστροφή (εξαΰλωση), δημιουργήθηκαν τα συστατικά των ατομικών πυρήνων (πρωτόνια και νετρόνια), τα άτομα, οι αστέρες, οι γαλαξίες, οι πλανήτες και τελικά η ίδια η ζωή.

Πιο συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά στάδια της κοσμικής εξέλιξης του Σύμπαντος, τα οποία είναι προσβάσιμα στην πειραματική παρατήρηση, μπορούν να συνοψισθούν ως εξής: Οι δομικοί λίθοι των ατομικών πυρήνων – τα πρωτόνια και τα νετρόνια – δημιουργήθηκαν μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Πριν από αυτή την στιγμή, το Σύμπαν ήταν τόσο θερμό και πυκνό, ώστε η υπάρχουσα ύλη αποτελείτο από μία αρχέγονη, ιδιάζουσα κατάσταση, την οποία ονομάζουμε πλάσμα κουάρκ-γκλουονίου (quark-gluon plasma). Μεταξύ των πρώτων τριών λεπτών σχηματίστηκαν οι ελαφροί ατομικοί πυρήνες του υδρογόνου, δευτερίου και ηλίου. Τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα δημιουργήθηκαν 300,000 έτη αργότερα. Οι πρώτοι αστέρες σχηματίστηκαν μετά από περίπου ένα δισεκατομμύριο έτη, από βαρυτικές συμπυκνώσεις γιγαντιαίων νεφών υδρογόνου και ηλίου. Πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό τους δημιούργησαν τα χημικά στοιχεία μέχρι το σίδηρο. Από εκρήξεις βαρέων αστέρων (π.χ. εκρήξεις υπερκαινοφανών) δημιουργούνται τα βαριά χημικά στοιχεία και πέραν του σιδήρου. Τέλος, από την εκσφενδονισμένη ύλη των αστρικών εκρήξεων σχηματίζονται οι πλανήτες, σε κάποιους από του οποίους οι επικρατούσες συνθήκες ευνοούν την ανάπτυξη της ζωής.

Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι σήμερα – 15 δισεκατομμύρια έτη μετά την Μεγάλη Έκρηξη και θα συνεχίζεται για δισεκατομμύρια έτη ακόμη.

Σύγχρονες πειραματικές μελέτες

Τις τελευταίες 2 δεκαετίες έχει αναπτυχθεί ένας νέος κλάδος της πυρηνικής φυσικής, ο οποίος χρησιμοποιεί κρούσεις βαρέων ιόντων για την δημιουργία και μελέτη στο εργαστήριο των συνθηκών που επικρατούσαν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Οι συγκρούσεις βαρέων πυρήνων αποτελούν το μέσο δημιουργίας στο εργαστήριο θερμής και συμπυκνωμένης πυρηνικής ύλης. Όταν οι ενέργειες σύγκρουσης στο κέντρο μάζας του συστήματος είναι μεγάλες, δημιουργείται μια κεντρική περιοχή στην ζώνη σύγκρουσης, η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλή θερμοκρασία και πυκνότητα πυρηνικής ύλης.

Πυκνότητες πολλαπλάσιες της κανονικής πυρηνικής πυκνότητας μπορούν να δημιουργηθούν σε σχετικιστικές και υπέρ-σχετικιστικές κρούσεις βαρέων ιόντων. Η θερμοκρασία της κεντρικής περιοχής μπορεί να ξεπεράσει κατά πολύ (μέχρι και 100,000 φορές ) την θερμοκρασία του εσωτερικού του ήλιου, και από αυτή την άποψη η δημιουργούμενη μεταβατική κατάσταση μοιάζει με μία εκρηγνυόμενη πυρόσφαιρα (fireball). Κατ΄ αυτόν τον τρόπο μπορούν να δημιουργηθούν στο εργαστήριο συνθήκες ανάλογες με εκείνες που επικρατούσαν στα αρχικά στάδια εξέλιξης του Σύμπαντος, μερικά μόνο μικροδευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Πρόκειται δηλαδή περί δημιουργίας στο εργαστήριο μικροσκοπικών «μεγάλων εκρήξεων», οι οποίες μας επιτρέπουν να μελετήσουμε, σε συνθήκες αναστροφής του χρόνου, εκείνα τα φαινόμενα που οδήγησαν στην δημιουργία των αρχέγονων μορφών της ύλη αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Η πειραματική μελέτη τέτοιων φαινομένων απαιτεί την ύπαρξη εξειδικευμένων επιταχυντών βαρέων ιόντων καθώς επίσης εκλεπτυσμένων και τεχνολογικά πολύ προχωρημένων ανιχνευτικών συστημάτων. Τέτοια πρωτοποριακά πειράματα μπορούν να εκτελεστούν μόνο σε λίγα εξειδικευμένα ερευνητικά κέντρα επιταχυντών βαρέων ιόντων, όπως στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στην Ελβετία, στο Ερευνητικό Κέντρο Βαρέων Ιόντων (GSI) στην Γερμανία και στο Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) στις ΗΠΑ, με διεθνείς συνεργασίες, οι οποίες εμπλέκουν ένα μεγάλο αριθμό επιστημόνων και τεχνικών από διάφορα πανεπιστήμια και ερευνητικά ινστιτούτα. Ανήκουν στην κατηγορία της σύγχρονης πυρηνικής φυσικής υψηλών ενεργειών με βαρέα ιόντα και διέπονται από την νέα φιλοσοφική προσέγγιση της ολιστικής μελέτης ενός συνόλου παρατηρήσιμων μεγεθών (observables). Σύμφωνα με την αντίληψη αυτή, η ολότητα (holism) του συνόλου των παρατηρήσιμων μεγεθών αναδεικνύει μια νέα ποιότητα, π.χ. φασική μετάπτωση στο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίου (quark-gluon plasma phase transition), αποκατάσταση της συμμετρίας χειρός (chiral symmetry restoration), κ.λπ.

Μεγάλο μέρος της έρευνας που γίνεται στο εξειδικευμένο κέντρο Βαρέων Ιόντων του GSI, αποσκοπεί στην δημιουργία και μελέτη θερμής και συμπυκνωμένης πυρηνικής ύλης με απώτερο στόχο την εξεύρεση της καταστατικής εξίσωσης. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων της εν λόγω εξίσωσης, αναμένεται να δώσει απαντήσεις σε μια σειρά από βασικά ερωτήματα που αφορούν την σύγχρονη πυρηνική φυσική, αλλά και την αστροφυσική γενικότερα (για παράδειγμα, αναφορικά με την τελική φάση της αστρικής εξέλιξης, αστέρες νετρονίων, κ.λπ.). Προς τον σκοπό αυτό, έχει σχεδιασθεί και τεθεί σε λειτουργία στο GSI το διεθνές πείραμα HADES, στο οποίο συμμετέχει και το εργαστήριο πυρηνικής φυσικής του Πανεπιστημίου Κύπρου, ως ιδρυτικό μέλος.

Τέλος αξίζει εδώ να αναφέρουμε ότι υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις για την δημιουργία και ανίχνευση στο CERN της αρχέγονης μορφής της ύλης, του πλάσματος κουάρκ-γκλουονίου. Επίσης, με πολύ μεγάλο ενδιαφέρον αναμένονται τα πρώτα πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) του CERN. Εκεί θα μελετηθούν για πρώτη φορά οι ιδιότητες της ύλης στις υψηλότερες ενέργειες που επιτεύχθηκαν ποτέ στο εργαστήριο και, επομένως, θα σηματοδοτήσουν την πειραματική διείσδυση όλο και πιο κοντά στις ιδιάζουσες εκείνες συνθήκες που επικρατούσαν ελάχιστα μικροδευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Ο Χαράλαμπος Τσέρτος είναι Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Κύπρου

Για περισσότερες πληροφορίες ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στο άρθρο «Ταξίδι στην Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang): Η Εξέλιξη του Σύμπαντος υπό το Φως της Φυσικής» που περιλαμβάνεται στη Β” ετήσια έκδοση του Πανεπιστημίου Κύπρου «Περγαμηνή».

Σχολιάστε

Επιτρέπονται τα εξής στοιχεία και ιδιότητες HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>