Το Σύμπαν διαστέλλεται και
ψύχεται. Στα αρχικά στάδια αυτής της διαστολής, η θερμοκρασία ήταν
τόσο πολύ υψηλή ώστε η ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας ήταν
τόσο μεγάλη που απέτρεπε τον σχηματισμό ατόμων ( kT >>1eV
, όπου k είναι η σταθερά Boltzmann και T η απόλυτη θερμοκρασία). Την
περίοδο αυτή η ακτινοβολία ήταν συζευγμένη με τα ελεύθερα
ηλεκτρόνια , και τα πρωτόνια με τα οποία παρέμενε σε θερμική ισορροπία…
Τι είναι η Κοσμολογία;
Σύμφωνα με το σχετικό άρθρο της Βικιπαίδειας:
"Η Κοσμολογία είναι η επιστήμη που εξετάζει το πώς και γιατί γεννήθηκε το σύμπαν, τι υπήρχε πριν από αυτό και την εξέλιξη του μέχρι την κατάληξη του και αν θα υπάρχει τέτοια. Για να φτάσει όμως να γίνει μια καθαρά πειραματική και παρατηρησιακή επιστήμη πέρασε από πολλά στάδια. Ο αρχαίος άνθρωπος δημιούργησε την Κοσμολογική Μυθολογία υφαίνοντας μύθους πίσω από κάθε φαινόμενο της ζωής του, στην προσπάθεια του να απαντήσει στα παραπάνω ερωτήματα. Με την εξέλιξη της φιλοσοφίας η μυθολογική Κοσμολογία άρχισε να εξασθενεί σταδιακά. Οι φιλόσοφοι χώριζαν τον μύθο από τον λόγο σχηματίζοντας τις πρώτες επιστήμες, οι οποίες βοήθησαν στην ανάπτυξη της Φιλοσοφικής Κοσμολογίας. Αυτή η Κοσμολογία μεταλαμπαδεύτηκε στην Ευρώπη και εξελίχθηκε στην σημερινή μορφή της."
Οι κοσμικές ακτίνες ή κοσμική ακτινοβολία είναι μία κατηγορία ακτινοβολίας που αποτελείται από σωματίδια υψηλών ενεργειών τα οποία παράγονται σε κάποιο μέρος του Σύμπαντος μακριά από τη Γη και προσκρούουν στην ατμόσφαιρα της Γης με ανιχνεύσιμα αποτελέσματα.
Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται κυρίως από ατομικούς πυρήνες, δηλαδή θετικά φορτισμένα ηλεκτρικώς σωματίδια, περίπου 87% πρωτόνια, 12% σωμάτια άλφα (πυρήνες ηλίου) και λίγους βαρύτερους πυρήνες (οι σχετικές περιεκτικότητες είναι συγκρίσιμες με τις ηλιακές). Ωστόσο, ένα μικρό ποσοστό των κοσμικών ακτίνων είναι ακτίνες γ (φωτόνια) πολύ υψηλών ενεργειών, ηλεκτρόνια και νετρίνα.
Οι κινητικές ενέργειες των σωματίων των κοσμικών ακτίνων εκτείνονται σε 14 τάξεις μεγέθους, με τη ροή (αριθμός σωματίων ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου) στην περιοχή της Γης να είναι αντιστρόφως ανάλογη του κύβου της ενέργειάς τους. Η μεγάλη αυτή διαφορά στις ενέργειες υποδεικνύει τη μεγάλη ποικιλία των πηγών της κοσμικής ακτινοβολίας: Οι διαδικασίες παραγωγής εκτείνονται από αστρικά φαινόμενα μέχρι μυστηριώδεις διαδικασίες υψηλών ενεργειών στα βάθη του Σύμπαντος. Μία κοσμική ακτίνα (1 σωμάτιο) μπορεί να φθάσει σε ενέργεια τα1020eV (περίπου 50 Joules, η ενέργεια μιας μπάλας του τένις που κινείται με 151 km/h). Καμιά μηχανή (επιταχυντής) κατασκευασμένη από τον άνθρωπο στη Γη προς το παρόν δεν μπορεί να επιταχύνει κάποιο σωμάτιο σε τόσο υψηλές ενέργειες.
Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου
(Από τη Βικιπαίδεια}
Στην πρώτη εικόνα βλέπουμε την σχηματοποιημένη καταγραφή δεδομένων από τον δορυφόρο WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) της NASA, ο οποίος μετρά προς διάφορες κατευθύνσεις την θερμοκρασία της θερμικής ακτινοβολίας που απελευθερώθηκε κατά την διάρκεια της μεγάλης έκρηξης που δημιούργησε το σύμπαν - γνωστής και ως κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Σκοπός του WMAP είναι να ανιχνεύσει μικροσκοπικές διαφορές στην ακτινοβολία υποβάθρου ούτως ώστε να μπορούν να ελεγχθούν τα διάφορα μοντέλα που περιγράφουν την εξέλιξη του σύμπαντος. Αν και η ακτινοβολία αυτή είναι διάχυτη και δεν αφορά (πλέον) κανένα συγκεκριμένο σώμα, το φάσμα της παρουσιάζει εκπληκτική συμφωνία με τον νόμο της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος. Πρόκειται για την πιο τέλεια προσέγγιση που έχει καταγραφεί ποτέ.
1. Χαρτογράφηση της ανισσοτροπίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το δορυφόρο WMAP.
Η δεύτερη εικόνα προέρχεται από προηγούμενη αποστολή με παρόμοιο σκοπό, από τον δορυφόρο COBE (Cosmic Background Explorer). Είναι γραφική παράσταση της έντασης της ακτινοβολίας ως προς των αριθμό των κυμάτων ανά εκατοστό. Η συμφωνία των πειραματικών μετρήσεων με την θεωρεία είναι τέτοια ώστε τα 34 σημεία που τοποθετήθηκαν για να σχηματίσουν την καμπύλη καλύφθηκαν ακριβώς από την καμπύλη που προβλέπει η θεωρεία, και τα διαστήματα λάθους ήταν τόσο μικρά που δεν ξεπερνούν το πάχος της γραμμής. Τα δεδομένα δείχνουν ότι το 99,97% της ακτινοβολίας υποβάθρου απελευθερώθηκε μέσα στον πρώτο χρόνο από την στιγμή της μεγάλης έκρηξης, και αντιστοιχούν στο φάσμα μελανού σώματος θερμοκρασίας 2,7°K.
2. Καμπύλη κατασκευασμένη με βάση τα δεδομένα από το φασματοσκόπιο FIRAS του δορυφόρου COBE.
Στην εργασία που ακολουθεί, υπάρχει ένας υπολογισμός της "μέγιστης" ενέργειας των πρωτονίων των κοσμικών ακτίνων που καταφθάνουν στη Γη:
Ο Hugh Everett (1930-1982)) ήταν αμερικανός φυσικός, ο οποίος πρώτος (το 1957) πρότεινε την ερμηνεία των "πολλών κόσμων" της κβαντομηχανικής ( many-worlds interpretation (MWI) of quantum physics ). Απογοητευμένος από την περιφρόνηση των υπόλοιπων φυσικών για το έργο του, "τέλειωσε" την καριέρα του στη Φυσική αμέσως μετά την ολοκλήρωση της διδακτορικής του διατριβής.
Σύμφωνα με την Κβαντική Θεωρία, και ειδικότερα σύμφωνα με την εικόνα του Schrodinger, κάθε σύστημα περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση η οποία είναι συνάρτηση της θέσης των σωματιδίων του συστήματος και του χρόνου. Το τετράγωνο αυτής της συνάρτησης εκφράζει την πιθανότητα να βρεθεί το σύστημά μας στις συγκεκριμένες θέσεις την συγκεκριμένη χρονική στιγμή.
Η εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης αυτής με το χρόνο -η οποία περιγράφεται από μια Διαφορική Εξίσωση, την εξίσωση Schrodinger, είναι ομαλή και συνεχής. Μια τέτοια εξέλιξη στα μαθηματικά λέγεται μοναδιστική (unitary) και έχει πολλές ενδιαφέρουσες ιδιότητες.
Μια από τις σημαντικότερες ιδιότητες της εξίσωσης του Schrodinger και της κυματοσυνάρτησης είναι ότι κάθε επαλληλία διαφορετικών συναρτήσεων που αποτελούν λύσεις της εξίσωσης Schrodinger για ένα συγκεκριμένο σύστημα, θα είναι επίσης λύση που θα παριστάνει την εξέλιξη του συστήματος.
Με άλλα λόγια ένα Κβαντικό Σύστημα που μπορεί να βρίσκεται ξεχωριστά σε δύο διαφορετικές καταστάσεις, μπορεί να βρίσκεται και σε ένα γραμμικό συνδυασμό αυτών των καταστάσεων. Αυτή είναι η κβαντική υπέρθεση των καταστάσεων.
Και μάλιστα, αν αρχικά το σύστημα αυτό βρίσκεται σε μια τέτοια υπέρθεση, ο μοναδιαίος τρόπος της εξέλιξής του υπαγορεύει ότι αν δεν μεσολαβήσει κάποια αλληλεπίδραση του συστήματος με το περιβάλλον, το σύστημα θα εξακολουθήσει να βρίσκεται σε αυτή την υπέρθεση, αιώνια.
Ας εξετάσουμε ένα νοητό παράδειγμα που εμφανίζονται τα παραπάνω:
Το Παράδειγμα Τραπουλόχαρτου:
Σύμφωνα με την Κβαντική Θεωρία, ένα τραπουλόχαρτο που ισορροπεί στην κόψη του βρίσκεται σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων.
Η μία κατάσταση είναι αυτή που εμφανίζει την εμπρόσθια όψη του (δηλ. την φιγούρα)και
Η έτερη κατάσταση είναι αυτή που εμφανίζει την οπίσθια όψη του.
Σύμφωνα πάλι με την Κβαντική Θεωρία, όταν το τραπουλόχαρτο πέσει, ο μοναδιστικός τρόπος εξέλιξης της κυματοσυνάρτησης θεωρεί ότι θα πέσει και με τις δύο όψεις συγχρόνως αφού η υπέρθεση πρέπει να διατηρείται.
Η Παρατήρηση όμως του τραπουλόχαρτου από ένα παρατηρητή, "πυροδοτεί" μια απότομη μεταβολή στην κυματοσυνάρτηση και αυτή "καταρρέει" σε μια εκ των δύο καταστάσεων που την αποτελούν.
Ο παρατηρητής βλέπει λοιπόν μια εκ των δύο κλασσικών καταστάσεων (η φιγούρα στην επάνω όψη ή η φιγούρα στην κάτω όψη) και από κει και ύστερα η κλασσική αυτή κατάσταση επιζεί.
Υποτίθεται ότι η Φύση κατά τελείως τυχαίο τρόπο αποφάσισε σε ποια εκ των δύο κλασικών καταστάσεων θα καταρρεύσει. Οι πιθανότητες γι αυτό καθορίζονται από τους συντελεστές των δύο καταστάσεων όταν αυτές σχηματίζουν την υπέρθεση.
Αν και η μέθοδος αυτή είναι συμβατή με το Κβαντικό φορμαλιστικό πλαίσιο, εν τούτοις παραμένει ένα μυστήριο το πότε και πως γίνεται η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης.
Κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης:
Στα μέσα της δεκαετίας του 1950, ένας σπουδαστής στο Princeton, o Hugh Everett αποφάσισε να καταπιαστεί με το θέμα της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης στη διδακτορική του διατριβή.
Ο Everett προώθησε την ιδέα της Κβαντικής Θεωρίας, στα άκρα, θέτοντας την εξής ερώτηση:
Τι θα συνέβαινε αν η χρονική εξέλιξη ολόκληρου του Σύμπαντος ήταν πάντα μοναδιστική;
Αν τελικά η Κβαντική Θεωρία είναι σωστή και για το Σύμπαν θα πρέπει αυτό να περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση (όσο περίπλοκη κι αν είναι αυτή.)
Στο σενάριο του Everett αυτή η κυματοσυνάρτηση θα εξελίσσεται κατά ντετερμινιστικό τρόπο, αφού δεν υπάρχει τίποτα έξω από το Σύμπαν για να την παρατηρήσει και επομένως να την διαταράξει, και έτσι δεν υπάρχει δυνατότητα για να καταρρεύσει.
Στη θεώρηση του Everett το κβαντικό τραπουλόχαρτο θα βρίσκεται και με τις δύο όψεις του συγχρόνως. Επιπλέον, ένας παρατηρητής που το βλέπει εισάγει επιπλέον μια υπέρθεση δύο διανοητικών καταστάσεων, όπου κάθε μια αντιστοιχεί και σε ένα από τα δύο πιθανά αποτελέσματα της, την διαφορετική εικόνα που αντιλαμβάνεται. Αν είχατε στοιχηματίσει χρήματα ότι θα έλθει η όψη της φιγούρας, θα καταλήγατε σε μια υπέρθεση να χαμογελάτε και να στενοχωρείστε.
Οι παρατηρητές σε ένα τέτοιο παράδοξο αλλά ντετερμινιστικό Σύμπαν, κάθε φορά που θα εκτελούσαν μια παρατήρηση θα έμπαιναν σε ένα από τα πιθανά σενάρια αφού και οι ίδιοι θα ήταν μέρος του μεγάλου συστήματος, αλλά και τα υπόλοιπα θα εξακολουθούσαν να εξελίσσονται.
Η θεώρηση αυτή του Everett έμεινε γνωστή ως "ερμηνεία των Πολλαπλών Συμπάντων" της Κβαντικής Θεωρίας, ή μάλλον των "πολλών συνειδήσεων", γιατί καθεμιά από τις υπερτιθέμενες διανοητικές καταστάσεις αντιλαμβάνεται το δικό της Σύμπαν. Η θεώρηση αυτή δεν χρειάζεται πλέον το αξίωμα της κατάρρευσης, αλλά το αντίτιμο που πληρώνει σε "πλήθος Συμπάντων" εφόσον όλες οι παράλληλες αντιλήψεις του Σύμπαντος είναι όλες εξίσου πραγματικές.
Η δουλειά του Everett είχε αφήσει δυο μεγάλα αναπάντητα ερωτηματικά:
1) Πρώτα απ' όλα, αν ο κόσμος περιέχει πραγματικά τέτοιες μκρο-υπερθέσεις, γιατί δεν τις αντιλαμβανόμαστε;
2) Ποιός φυσικός μηχανισμός επιλέγει τις κλασσικές καταστάσεις - η φιγούρα πάνω ή κάτω στην περίπτωσή μας - ως ειδικές για να προτιμηθούν;
Αποσυμφωνία (κατάρρευση) της υπέρθεσης:
Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα δόθηκε στα 1970 από τον Dieter Zeh του πανεπιστημίου της Heidelberg, ο οποίος έδειξε ότι η ίδια η εξίσωση Schrodinger επιβάλλει κάποιο τύπο "λογοκρισίας".
Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως αποσυμφωνία ή καταστροφή της υπέρθεσης (decoherence). Η καταστροφή της υπέρθεσης μελετήθηκε διεξοδικά από τους Wojciech Zurek, Zeh και άλλους στις επόμενες δεκαετίες.
Αυτοί πρότειναν ότι οι σύμφωνες κβαντικές υπερθέσεις διαρκούν μόνο όσο παραμένουν "μυστικές" και απομονωμένες από το υπόλοιπο του Σύμαντος. Το κβαντικό τραπουλόχαρτο του παραδείγματός μας επικοινωνεί με τα μόρια του αέρα, με φωτόνια κλπ, τα οποία εξερευνούν με ποια όψη έχει πέσει, καταστρέφοντας έτσι την υπέρθεση και κάνοντάς την αδύνατη να παρατηρηθεί.
Ο πιο βολικός τρόπος να καταλάβουμε την καταστροφή της υπέρθεσης μαθηματικά είναι να κάνουμε χρήση μιας γενίκευσης της κυματοσυνάρτησης που λέγεται "πίνακας ή μήτρα πυκνότητας πιθανοτήτων" (density matrix).
Για κάθε κυματοσυνάρτηση υπάρχει μια αντίστοιχη τέτοια μήτρα (πίνακας), καθώς και μια αντίστοιχη εξίσωση Schrodinger για τις μήτρες αυτές.
Για παράδειγμαο πίνακας πυκνότητας για το κβαντικό τραπουλόχαρτο που πέφτει σε υπέρθεση θα μοιάζει κάπως έτσι:
Οι αριθμοί a και b είναι οι πιθανότητες να βρούμε το τραπουλόχαρτο με τη φιγούρα προς τα επάνω ή προς τα κάτω αντίστοιχα, και στην περίπτωσή μας θα ισούνται και τα δύο με 1/2. Πράγματι ένας πίνακας πυκνότητας με τη μορφή:
θα παριστάνει τη γνωστή κλασσική κατάσταση όπου το τραπουλόχαρτο δείχνει είτε την όψη της φιγούρας είτε την αντίθετη όψη, αλλά δεν γνωρίζουμε ποια.
Τα μη διαγώνια στοιχεία του πίνακα, τα c στην περίπτωσή μας παριστάνουν τις διαφορές μεταξύ της κβαντικής αβεβαιότητας των υπερθέσεων και της κλασσικής αβεβαιότητας που προέρχεται απλώς από άγνοια.
Ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα της θεωρίας καταστροφής της υπέρθεσης είναι ότι εξηγεί πως η αλληλεπίδραση ενός αντικειμένου με το περιβάλλον του μεταβάλλει τα μη διαγώνια στοιχεία του πίνακα σε 0, αντικαθιστώντας έτσι την κβαντική υπέρθεση με απλή κλασσική άγνοια.
Η καταστροφή της κβαντικής υπέρθεσης μας εξηγεί γιατί δεν παρατηρούμε συνήθως κβαντικές υπερθέσεις στον Μακρόκοσμο γύρω μας. Δεν είναι ότι η Κβαντική Θεωρία σταματά να ισχύει από κάποιο "μαγικό" μέγεθος και πάνω, αλλά ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο να απομονώσουμε ένα μακροσκοπικό σύστημα από το περιβάλλον του ώστε να εμποδίσουμε την καταστροφή της υπέρθεσης. Αντίθετα τα μικροσκοπικά αντικείμενα απομονώνονται πιο εύκολα και διατηρούν περισσότερο την κβαντική τους συμπεριφορά.
Προγνωσιμότητα:
Η απάντηση στο δεύτερο ερώτημα σχετικά με τον φυσικό μηχανισμό που επιλέγει τις κλασσικές καταστάσεις ως ειδικές για να προτιμηθούν έχει ως εξής.
Από μαθηματική σκοπιά, οι κβαντικές καταστάσεις όπως "φιγούρα στην επάνω όψη + φιγούρα στην κάτω όψη" (ας την αποκαλέσουμε "κατάσταση άλφα") είτε η "φιγούρα στην επάνω όψη - φιγούρα στην κάτω όψη" (ας την αποκαλέσουμε "κατάσταση βήτα") είναι εξίσου ισχυρές κλασσικές καταστάσεις σαν τις "φιγούρα στην επάνω όψη" , "φιγούρα στην κάτω όψη".
Έτσι λοιπόν όπως ακριβώς το τραπουλόχαρτό μας που έπεσε στην κατάσταση "άλφα", και η κυματοσυνάρτηση του κατέρρευσε στην κατάσταση "φιγούρα στην επάνω όψη" ή "φιγούρα στην κάτω όψη", έτσι θα μπορούσε και ένα τραπουλόχαρτο που βρίσκεται αρχικά στην κατάσταση: "φιγούρα στην επάνω όψη" - η οποία ισούται με (άλφα + βήτα)/2 - να καταρρεύσει στην "άλφα" ή στην "βήτα" κατάσταση.
Γιατί όμως δεν παρατηρούμε ποτέ κάτι τέτοιο;
Η καταστροφή της υπέρθεσης απαντάει και στην ερώτηση αυτή. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι οι κλασσικές καταστάσεις θα μπορούσαν να οριστούν και να προσδιοριστούν, ως εκείνες οι καταστάσεις που είναι πιο ανθεκτικές απέναντι στην καταστροφή της υπέρθεσης.
Με άλλα λόγια η καταστροφή της υπέρθεσης κάνει κάτι παραπάνω από το να μετατρέπει σε 0 τα μη διαγώνια στοιχεία του πίνακα πυκνότητας πιθανότητας. Αν λοιπόν οι καταστάσεις "άλφα" και "βήτα" του τραπουλόχαρτου επιλέγονταν ως θεμελιώδεις βασικές καταστάσεις ο πίνακας πυκνότητας για το πεσμένο τραπουλόχαρτο θα ήταν διαγώνιος και με την απλή μορφή:
αφού το χαρτί θα ήταν σίγουρα στην κατάσταση "άλφα." Όμως η καταστροφή της υπέρθεσης θα άλλαζε σχεδόν στιγμιαία την κατάσταση αυτή σε:
Έτσι αν μπορούσαμε να μετρήσουμε αν το τραπουλόχαρτο ήταν στην "άλφα" ή "βήτα" κατάσταση, θα παίρναμε ένα τυχαίο αποτέλεσμα. Αντίθετα αν βάζαμε το χαρτί στην κατάσταση "φιγούρα προς τα επάνω" θα παρέμενε σ' αυτή χωρίς να υφίσταται καταστροφή υπέρθεσης.
Η καταστροφή της υπέρθεσης αποτελεί λοιπόν αυτό που ο Zurek ονόμασε "κόσκινο προγνωσιμότητας", επιλέγει δηλαδή εκείνες τις καταστάσεις που εμφανίζουν κάποια σταθερότητα και η χρήση των οποίων δίνει στη Φυσική κάποια προγνωστική δύναμη.
Όταν για πρώτη φορά ο Γαλιλαίος (1564-1642) έστρεψε το (δικής του κατασκευής) τηλεσκόπιο στον Ουρανό ανακαλύπτοντας έτσι 4 από τους δορυφόρους του Δία, την Ιώ, την Ευρώπη, το Γανυμήδη και την Καλυστώ , αυτό ήταν το πρώτο "σοκ" για την ανθρωπότητα που έχανε την περίοπτη θέση της στο κέντρο του Σύμπαντος και της Δημιουργίας. Σήμερα το σοκ είναι ακόμη μεγαλύτερο όταν αντιλαμβανόμαστε ότι (ενδεχομένως και με την προϋπόθεση ότι υπάρχει η σκοτεινή ύλη και ενέργεια) όχι μόνο δεν είμαστε το κέντρο αλλά ούτε καν είμαστε φτιαγμένοι από το πιο διαδεδομένο υλικό του Σύμπαντος.
Όμως τι είναι η σκοτεινή ύλη;
Σύμφωνα λοιπόν με την Βικιπαίδεια:
" Στην επιστήμη της κοσμολογίας, η σκοτεινή ύλη αναφέρεται σε υποθετικά σωματίδιαύλης, άγνωστης σύνθεσης, τα οποία δεν εκλύουν ούτε αντανακλούν αρκετή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ώστε να μπορούν να γίνουν άμεσα ανιχνεύσιμα. Η ύπαρξή τους μπορεί να διαπιστωθεί από τα βαρυτικά αποτελέσματα σε ορατή ύλη, όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες. Η υπόθεση της σκοτεινής ύλης έχει σαν στόχο να εξηγήσει διάφορες αστρονομικές παρατηρήσεις που δεν συμφωνούν με τη θεωρία μας για τη βαρύτητα, όπως ανωμαλίες στην ταχύτητα περιστροφής των αστεριών στις παρυφές των γαλαξιών. Η ταχύτητα αυτή είναι μεγαλύτερη από το αναμενόμενο, πράγμα που εξηγείται είτε με την παραδοχή ότι η θεωρία μας για τη βαρύτητα είναι λάθος (γεγονός όμως για το οποίο υπάρχουν πολλά αντίθετα επιχειρήματα) είτε με τη θεώρηση της ύπαρξης μιας μεγάλης ποσότητας μάζας που, προς το παρόν τουλάχιστον, δεν μπορούμε να δούμε. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης θα έλυνε ένα πλήθος προβλημάτων συνέπειας στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Αν η σκοτεινή ύλη υπάρχει, υπερβαίνει σημαντικά σε μάζα το ορατό μέρος του σύμπαντος. Μόνο το 4% της συνολικής μάζας του σύμπαντος μπορεί να γίνει άμεσα ορατό. Περίπου το 22% υπολογίζεται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη. Το υπόλοιπο 74% αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, ένα ακόμα πιο περίεργο στοιχείο, διάσπαρτο στο διάστημα, το οποίο πιθανότατα δεν μπορεί να λογιστεί σαν συνήθη σωματίδια. Ο καθορισμός της φύσης αυτής της χαμένης μάζας είναι ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα της σύγχρονης κοσμολογίας και της φυσικής των σωματιδίων. Η ιστορία ξεκίνησε το 1933, όταν ο αστρονόμος Fritz Zwicky μελετούσε την κίνηση μακρινών σμηνών γαλαξιών μεγάλης μάζας, συγκεκριμένα το Σμήνος της Κόμης κι αυτό της Παρθένου. Ο Zwicky υπολόγισε τη μάζα του κάθε γαλαξία του σμήνους βασισμένος στη λαμπρότητα του, κι άθροισε όλες τις γαλαξιακές μάζες για να υπολογίσει τη συνολική μάζα του σμήνους. Στη συνέχεια βρήκε ένα δεύτερο υπολογισμό ανεξάρτητο της συνολικής μάζας, που βασίστηκε στη μέτρηση των ατομικών ταχυτήτων των γαλαξιών του σμήνους. Προς μεγάλη του έκπληξη, αυτός ο δεύτερος υπολογισμός δυναμικής μάζας ήταν 400 φορές πιο μεγάλος από τον υπολογισμό που βασιζόταν στο φως των γαλαξιών. Αν και τα πειραματικά δεδομένα ήταν ήδη σημαντικά την εποχή του Zwicky, μόνο από τη δεκαετία του '70 οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν συστηματικά αυτή τη διαφορά. Εκείνη την περίοδο η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης άρχισε να λαμβάνεται στα σοβαρά υπ' όψιν. Η ύπαρξη τέτοιας ύλης δεν θα είχε μόνο επιλύσει την έλλειψη μάζας στα σμήνη γαλαξιών, αλλά θα είχε επίσης αποτελέσματα πολύ μεγαλύτερης εμβέλειας σχετικά με την εξέλιξη και τη μοίρα του ίδιου του Σύμπαντος. "
Fritz Zwicky (1898-1974)
Κανείς βεβαίως δεν ξέρει τι είναι ακριβώς η σκοτεινή ύλη – οι αστρονόμοι εντοπίζουν απλώς την βαρυτική έλξη της πάνω στην κανονική ύλη. Όμως, πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι είναι κατασκευασμένη από κάποια θεωρητικά σωματίδια, τα λεγόμενα WIMPs, που αλληλεπιδρούν μόνο ασθενώς με την κανονική ύλη. Ως (πιθανό) υποψήφιο σωματίδιο WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) φέρεται το ελαφρύτερο από τα 4 neutralinoς (που προβλέπονται από την υπερσυμμετρία).
Και σκοτεινή ενέργεια;
Σύμφωνα λοιπόν και πάλι με την Βικιπαίδεια:
Στην επιστήμη της κοσμολογίας, η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα υποθετικό είδος ενέργειας που διατρέχει όλο το διάστημα και έχει δυνατή αρνητική πίεση. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, το αποτέλεσμα μιας τέτοιας αρνητικής πίεσης είναι ποιοτικά ανάλογο με μια δύναμη που δρα σε αντίθεση με τη βαρύτητα σε μεγάλη κλίμακα. Η αναφορά σε ένα τέτοιο αποτέλεσμα είναι προς το παρόν η πιο δημοφιλής μέθοδος για την επεξήγηση των παρατηρήσεων ενός επιταχυνόμενα διαστελλόμενου σύμπαντος, όπως επίσης και για τον υπολογισμό ενός μεγάλου τμήματος της ανεξήγητης μάζας του σύμπαντος. Δύο προτεινόμενες μορφές της σκοτεινής ενέργειας είναι η κοσμολογική σταθερά (Λ), μια σταθερή πυκνότητα ενέργειας που γεμίζει ομοιόμορφα το χώρο, και η πεμπτουσία, ένα δυναμικό πεδίο ενέργειας του οποίου η πυκνότητα μπορεί να κυμαίνεται στο χώρο και το χρόνο. Ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο εναλλακτικών απαιτεί μετρήσεις υψηλής ακριβείας για τη διαστολή του σύμπαντος ώστε να καταλάβουμε πώς η ταχύτητα της διαστολής μεταβάλλεται στο χρόνο. Ο υπολογισμός αυτής της εξίσωσης είναι μια από τις μεγαλύτερες προσπάθειες της παρατηρησιακής κοσμολογίας σήμερα.
Έτσι λοιπόν νέα γεγονότα δικαιώνουν όσους τόσα χρόνια τώρα υποστήριζαν πως στα πειράματά τους (συγκεκριμένα στο DAMA ) όχι μόνο έχει βρεθεί η σκοτεινή ύλη, αλλά και ότι το σήμα της ποικίλλει ανάλογα με τις εποχές. Έτσι, ένα δεύτερο πείραμα, που ονομάζεται CoGeNT, αναφέρει παρόμοια ευρήματα, αν και τα δύο αποτελέσματα είναι σε σύγκρουση με τις παρατηρήσεις δύο άλλων ομάδων.
The Soudan mine is home to the CoGeNT experiment (Image: ShakataGaNai/(CC BY-SA 3.0))
Χάρτης, ο οποίος παρουσιάζει την κατανομή της σκοτεινής ύλης που δημιούργησε έναν βαρυτικό φακό, όπως παρατηρήθηκε με το τηλεσκόπιο Hubble κατά τη διάρκεια της μελέτης COSMOS. Από το : Physics4u.
Σήμερα η κλασσική λύση των εξισώσεων πεδίου του Einstein, η οποία περιγράφει ένα ομογενές και ισότροπο σύμπαν ονομάζεται: "Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metric", προς τιμήν των Friedmann, Lemaitre, Robertson και Walker που εργάσθηκαν σ΄αυτό το πεδίο στις δεκαετίες του 20 και του 30.
Για να μελετήσουμε τη διαστολή του Σύμπαντος, με τη βοήθεια του νόμου του Newton, (χρησιμοποιώντας παράλληλα μόνο φυσική και μαθηματικά Λυκείου), θα χρειασθούμε:
1. Το νόμο της παγκόσμιας έλξης του NEWTON:
2. Την υπόθεση ότι το Σύμπαν προσεγγίζεται σαν ένα Νευτώνειο σύστημα, με την τροχιά των σωματιδίων να δίνεται από κάποια σχέση της μορφής:
x(t) = x(t0).R(t)/R(t0)
με τα R(t0) και x(t0) να θεωρούνται σταθερές.
Μπορείτε να κατεβάσετε την εργασία ............................................................ΕΔΩ
