John C. Mather & George F. Smoot: Νόμπελ Φυσικής 2006

Το Νόμπελ Φυσικής το 2006 δόθηκε σε δυο αστροφυσικούς, στον Τζών Μάθερ και στον Τζώρτζ Σμούτ, που εξήγησαν την δημιουργία και την εξέλιξη του Σύμπαντος ενισχύοντας τις θεωρίες για μία αρχέγονη Μεγάλη Έκρηξη.

Αριστερά ο George Smoot (Τζορτζ Σμουτ). Δεξιά, ο John Mather (Τζων Μάτερ)

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, ή Big Bang, όπως οι περισσότεροι την ξέρουν, θεωρείται σήμερα η επικρατέστερη θεωρία για την δημιουργία και εξέλιξη του Σύμπαντος.

Το βασικό ερώτημα «Πότε και πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν;» γέννησε μία σειρά πρωτότυπων και πειστικών θεωριών. Οι πρώτες από αυτές διατυπώθηκαν στην δεκαετία του 1920, πρώτα από τον περίφημο Ρώσο αστρονόμο Αλεξάντερ Φρίντμαν (Α. freedman), το 1922, και στην συνέχεια από τον Βέλγο αββά και αστροφυσικό Τζώρτζ Έντουαρντ Λεμαίτρ (G. E. Lemaitre), το 1927.

Μια εικοσαετία αργότερα, ο Ρώσος φυσικός Γκέορκ Γκάμοφ (G. Gamow, 1904-1968) διατύπωσε την άποψη ότι, αν ήταν σωστή η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, τότε θα έπρεπε να είναι ακόμη ανιχνεύσιμη μία διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, η οποία και θα αποτελούσε απόδειξη της ύπαρξης, στο απώτατο παρελθόν, του υπέρθερμου αρχικού ατόμου (1948).

Παρ’ όλα αυτά, οι αντίπαλοι της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης ήταν πάρα πολλοί, και μεταξύ αυτών οι διάσημοι κοσμολόγοι Φρέντ Χόυλ (fred Hoyle), Χέρμαν Μποντί (Herman Bondi) και Τόμας Γκόλτ (Thomas Gold), υπέρμαχοι της θεωρίας της Συνεχούς Δημιουργίας. Ο πρώτος μάλιστα ήταν αυτός που -περιπαικτικά- έδωσε το όνομά της στην νέα θεωρία κατά την διάρκεια μία συνέντευξής του στο BBC, λέγοντας ότι όλα αυτά θυμίζουν ένα Μεγάλο Μπούμ (Big Bang).

Οι πρώτες αποδείξεις

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αναζητούσε τους υποστηρικτές της. Η πρώτη θετική υποστήριξή της ήρθε σχετικά γρήγορα από τον Αμερικανό αστροφυσικό Έντουιν Χάμπλ (Edwin Hubble), ο οποίος, το 1929, παρατήρησε, από το Αστεροσκοπείο Μάουντ Γουίλσον (Mount Wilson), την επιταχυνόμενη απομάκρυνση των γαλαξιών. Αυτό σήμαινε πως στο απώτατο παρελθόν τους οι γαλαξίες είχαν μία κοινή εκκίνηση και αφετηρία: το σημείο της Μεγάλης Έκρηξης!

Εντούτοις η θεωρία δεν ήταν ακόμη αποδεκτή έως το 1964, όταν δυο φυσικοί που εργάζονταν στα Εργαστήρια της Μπέλ Τέλεφον (Bell Telephone), ο Αρνο Αλαν Πενζίας (Arno Alan Penzias, 1933- ) και ο Ρόμπερτ Γούντροου Γουίλσον (Robert Woodrow Wilson, 1936), μελετώντας την κατανομή της ακτινοβολίας που φτάνει στην Γή σε μήκη κύματος λίγων εκατοστών, ανίχνευσαν μία διάχυτη ακτινοβολία -όπως την είχε προβλέψει ο Γκάμοφ-, που έφτανε στην Γή ομοιόμορφα από όλα τα σημεία του διαστήματος και αντιστοιχούσε σε εκπεμπόμενη ακτινοβολία μέλανος σώματος θερμοκρασίας 2,7 βαθμών Κέλβιν. Αυτή η καταγραφή ήταν ο ραδιοφωνικός απόηχος της Μεγάλης Έκρηξης και γι’ αυτήν ακριβώς την ανακάλυψή τους τιμήθηκαν με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 1978!

Η κοσμική ακτινοβολία

Ένας πλήρης χάρτης του ουρανού, που απεικονίζει το αρχαιότερο φως στο σύμπαν. Με κόκκινο χρώμα σημειώνονται τα θερμότερα και με μπλέ τα ψυχρότερα σημεία του. Το οβάλ σχήμα του χάρτη είναι αποτέλεσμα της προσπάθειας να απεικονιστεί ολόκληρος ο ουρανός. Είναι δε παρόμοιο με το σχήμα που προκύπτει αν προσπαθήσουμε να απεικονίσουμε την υδρόγειο σφαίρα σε ένα επίπεδο.

Έκτοτε, οι αστροφυσικοί στράφηκαν στην μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου για να βρούν στοιχεία που θα τεκμηρίωναν ακόμη περισσότερο την θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης για την προέλευση του Σύμπαντος και την εξέλιξή του.

Ήδη από το 1986, οι Αμερικανοί αστροφυσικοί Τζών Μάθερ (John C. Mather, 1946-) και Τζώρτζ Σμούτ (George f. Smoot, 1945-) ήταν εκείνοι που ηγήθηκαν της κατασκευής και εκτόξευσης στο διάστημα του αστρονομικού δορυφόρου μέτρησης της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου COBE (Cosmic Background Explorer). Ο COBE, που τέθηκε σε τροχιά 800 Κm πάνω από την επιφάνεια της Γής στα τέλη του 1989, εντόπισε κυματισμούς στην «άκρη» του Σύμπαντος, οι οποίοι ήταν ο μικροκυματικός απόηχος της πρωταρχικής έκρηξης και η πρώτη απόδειξη ύπαρξης «διακυμάνσεων» στην ακτινοβολία. Αυτές οι διακυμάνσεις -τριάντα εκατομμυριοστά του ενός βαθμού- ισοδυναμούν με ανεπαίσθητες διαφορές στην πυκνότητα της ύλης.

Είναι γεγονός ότι ένα κομμάτι από την αρχική λάμψη της Μεγάλης Έκρηξης εξακολουθεί να βρίσκεται σήμερα γύρω μας με την μορφή της μικροκυματικής ακτινοβολίας που κάλυπτε το Σύμπαν τα πρώτα εκατομμύρια χρόνια τα οποία ακολούθησαν την έκρηξη. Οι γαλαξίες πρέπει να σχηματίστηκαν από αυξανόμενες δυνάμεις βαρύτητας που συνένωσαν την ύλη. Για την δημιουργία ενός Σύμπαντος με «διακυμάνσεις» θα πρέπει η ίδια η ακτινοβολία της Μεγάλης Έκρηξης να δείξει παρόμοια σημάδια.

Πάνω σ’ αυτό το θέμα, οι Μάθερ και Σμούτ, το 1992, βασιζόμενοι στα στοιχεία που τους έστειλε ο COBE, ουσιαστικά δικαίωσαν το μοντέλο του κοσμολόγου Αλαν Χάρβεϋ Γκούθ (Alan Harvey Guth, 1947- ), καθηγητή Φυσικής στο Μ.Ι.Τ., ο οποίος θεωρείται ο πατέρας της πληθωριστικής θεωρίας, που κι αυτή ενισχύει την Μεγάλη Έκρηξη. Ο Αλαν Γκούθ, ήδη από το 1981, είχε υποστηρίξει ότι το Σύμπαν διαστελλόταν με πολύ μεγάλη ταχύτητα στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου της ύπαρξής του, τέτοια που το ανάγκασε να σχηματίσει ανισότροπες «διακυμάνσεις» της ακτινοβολίας.

Κατά την στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, σύμφωνα με την θεωρία, το Σύμπαν πρέπει να είχε θερμοκρασία γύρω στις 3.000 βαθμούς, ενώ τώρα οι μετρήσεις της απομένουσας ακτινοβολίας δείχνουν ότι είναι μόλις 2,7 βαθμοί Κέλβιν. Οι απειροελάχιστες διαφοροποιήσεις της θερμοκρασίας αυτής, όπως καταγράφηκαν από τους Μάθερ και Σμούτ, μέσω των ενδείξεων του COBE, απέδειξαν την ανισοτροπία της ακτινοβολίας και δικαίωσαν τον Γκούθ. Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης βρήκε τους υποστηρικτές της μέσω της μελέτης της μικροκυματικής ακτινοβολίας, η οποία κάλυπτε το Σύμπαν τα πρώτα εκατομμύρια χρόνια που ακολούθησαν την Μεγάλη Έκρηξη. Ήταν μία σπουδαία ανακάλυψη που οδηγούσε τους Αμερικανούς αστροφυσικούς προς το βραβείο Νομπέλ Φυσικής. Και πράγματι έτσι έγινε.

Βαδίζοντας προς το Νόμπελ

Ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) που χρησιμοποιήθηκε για την χαρτογράφηση του σύμπαντος έχει ύψος 3,8 και πλάτος 5 μέτρα, ενώ το βάρος του φτάνει τα 840 κιλά. Η αρχική αποστολή WMAP είχε διάρκεια 27 μήνες.

Στις 3 Οκτωβρίου του 2006, η Επιτροπή της Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών έδωσε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής στους πατέρες του COBE, τον Τζών Μάθερ και τον Τζώρτζ Σμούτ, για τις έρευνές τους σχετικά με τις διακυμάνσεις της κοσμικής μικροακτινοβολίας, χάρις στην οποία οι επιστήμονες απέκτησαν μία καθαρότερη εικόνα για την δημιουργία του Σύμπαντος.

Ο Τζών Μάθερ, ο οποίος εργάζεται ως αστροφυσικός στο κέντρο Γκόνταρ της NASA, σήμερα είναι επικεφαλής του σχεδιαζόμενου δορυφορικού διαστημικού τηλεσκοπίου JWST (James Webb Space Telescope), ενώ ο Τζώρτζ Σμούτ είναι καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ. Οι δυο τους πλέον θεωρούνται οι «χαρτογράφοι της Μεγάλης Έκρηξης».

Ο Τζών Μάθερ μέτρησε το φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας, το οποίο αποδείχτηκε ίδιο με αυτό που προβλεπόταν από την θεωρία, αποδεικνύοντας ότι η ακτινοβολία απελευθερώθηκε ταχύτατα μετά την Μεγάλη Έκρηξη και ότι το πρώιμο Σύμπαν ήταν εξαιρετικά θερμό και πυκνό, όπως ακριβώς πρόβλεπε η θεωρία.

Ο Τζώρτζ Σμούτ έχει μία ιστορία πάνω σ’ αυτά τα θέματα. Ήδη από το 1976 είχε πείσει την NASA να τοποθετήσει έναν μετρητή μικροκυμάτων πάνω σε ένα κατασκοπευτικό αεροσκάφος U-2 προκειμένου να μετρήσει την κοσμική ακτινοβολία. Οι μετρήσεις που είχε πάρει τότε έδειχναν ότι το Σύμπαν διαστελλόταν με την ίδια ταχύτητα προς όλες τις διευθύνσεις. Μέχρι τις μετρήσεις του COBE, θεωρούσαμε, λοιπόν, ότι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου ήταν ίδια σ ολόκληρο το Σύμπαν. Στην περίπτωση όμως αυτή, δεν ήταν δυνατόν να εξηγηθεί η παρούσα μορφή του Σύμπαντος. Έτσι, μετά τις μετρήσεις του COBE, ενισχύθηκε η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, η οποία ήταν η μοναδική θεωρία που πρόβλεπε το είδος της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου όπως ακριβώς μετρήθηκε από τον δορυφόρο.

Ο Τζώρτζ Σμούτ, ανακαλύπτοντας απειροελάχιστες διακυμάνσεις θερμοκρασίας, θεώρησε ότι αυτές αντιστοιχούσαν στους προγόνους των σημερινών γαλαξιών. Αναφερόμενος μάλιστα στην εικόνα του «νεαρού» Σύμπαντος όπως το χαρτογράφησε ο δορυφόρος Γουίλκινσον Μάπ (WMAP), θεώρησε ότι ο μικρός αριθμός σημείων με διαφορετική θερμοκρασία υποδήλωνε πως η βαρύτητα από την «κανονική» ύλη δεν επαρκούσε προκειμένου να σχηματιστεί ένα Σύμπαν, όπως το «βλέπουμε» σήμερα. Κάποιο άλλο είδος μή παρατηρούμενης, ή όπως την καλούμε σήμερα «σκοτεινής ύλης», είχε δημιουργηθεί πριν από την συνηθισμένη-κανονική ύλη.

Όπως βλέπουμε, λοιπόν, οι δυο αστροφυσικοί μέσω των δεδομένων του COBE, αλλά και μέσω των διαφορετικών προσεγγίσεών τους, μετέτρεψαν μία κατ’ εξοχήν θεωρητική επιστήμη, όπως η κοσμολογία, σε επιστήμη που πλέον βασίζεται στην παρατήρηση και τις πειραματικές διαδικασίες.

Αξιοι για το βραβείο Νομπέλ Φυσικής, ο Τζώρτζ Σμούτ και ο Τζών  Μάθερ, βασισμένοι σε μετρήσεις και πειράματα, εξηγούν πλέον την δημιουργία του κόσμου με αυτή καθ’ εαυτή την Φυσική, απορρίπτοντας κάθε μεταφυσική ερμηνεία.

Συμπεράσματα

Συνεπώς τα πάντα ξεκίνησαν από μία αρχική έκρηξη. Δεν ξέρουμε, ούτε είναι θέμα της παρατηρησιακής κοσμολογίας να πεί το πώς σημειώθηκε αυτή η έκρηξη. Αλλωστε για έναν παρατηρησιακό κοσμολόγο δεν υφίσταται κάν το «πριν», αφού ο μετρούμενος από τις αισθήσεις και τα επιστημονικά όργανά μας χρόνος και χώρος θεωρούμε ότι δημιουργήθηκαν ακριβώς τότε. Έκτοτε το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται, να ψύχεται και κάποια ποσότητα της ενέργειάς του μετατράπηκε σε ύλη.

Ωστόσο για μία ακόμη φορά τονίζουμε ότι το Σύμπαν στο σύνολό του δεν μπορούμε να το παρομοιάσουμε με ένα σταφιδόψωμο, ούτε με ένα μπαλόνι που φουσκώνει. Το Σύμπαν μας στο σύνολό του, ορατό και αόρατο, είναι τετραδιάστατο και μελετάται από μία μή Ευκλείδεια γεωμετρία, την γεωμετρία του Ρήμαν, της οποίας η λογική βρίσκεται πέρα και έξω από την γεωμετρία που διδασκόμαστε στο γυμνάσιο και το λύκειο. Η διαστολή του Σύμπαντος δεν πρέπει να εκλαμβάνεται σαν η διαστολή μιάς τρισδιάστατης Ευκλείδειας σφαίρας, σαν το φούσκωμα δηλαδή ενός σταφιδόψωμου που την θέση των σταφίδων κατέχουν οι γαλαξίες. Η διαστολή του Σύμπαντος, όπως αυτή γίνεται αντιληπτή μέσω του φαινομένου Hubble, δεν αποτελεί παρά τον Ευκλείδειο περιορισμό ενός ευρύτερου συμπαντικού γεγονότος, το οποίο πραγματοποιείται στο πλαίσιο του μή αισθητού και μή Ευκλείδειου χώρου του Σύμπαντος.

Ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) που χρησιμοποιήθηκε για την χαρτογράφηση του σύμπαντος έχει ύψος 3,8 και πλάτος 5 μέτρα, ενώ το βάρος του φτάνει τα 840 κιλά. Η αρχική αποστολή WMAP είχε διάρκεια 27 μήνες. Ο WMAP βρίσκεται ακόμα σε λειτουργία.