ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΚΟΣΜΟΓΟΝΙΑ

                           ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ  ΚΑΙ  ΚΟΣΜΟΓΟΝΙΑ.

   

Από τα πολύ παλιά χρόνια ο άνθρωπος παρατηρώντας την φύση και τον  έναστρο ουρανό  προσπαθούσε να δώσει μία εξήγηση για το πώς δημιουργήθηκε  αυτό το υπέροχο οικοδόμημα μαζί με αυτόν τον ίδιο επάνω στην γή. Στο κεφάλαιο αυτό, θεωρούμε σκόπιμο να πραγματοποιήσουμε μία συνοπτική ιστορική και  φιλοσοφική αναδρομή όταν στην αρχαιότητα η κοσμολογία ήταν συνυφασμένη με την θεολογία  κάθε λαού και ως εκ τούτου ονομάζεται Κοσμογονία. Με την γενική εποπτεία του περιβάλλοντος κόσμου  η κοσμογονία προσπαθούσε να εξηγήσει τρία ερωτήματα:  1) την πρώτη αρχή με την οποία πήρε υπόσταση ο κόσμος.  2) την εξελικτική πορεία που διάνυσε ο κόσμος γιά να φθάσει στην τωρινή του κατάσταση. 3) τις δυνάμεις οι οποίες συγκρατούν την ενότητα του κοσμικού συνόλου όπως και την θέση του ανθρώπου μέσα σε αυτό. Οι κοσμογονίες των αρχαίων λαών της Ανατολής θεωρούν ως αιτία δημιουργίας του κόσμου τον Θεό ή τους θεούς όπου οι υπερφυσικές δυνάμεις δημιουργούν και κυβερνούν το κοσμικό σύνολο. Στην Γένεση της Παλαιάς Διαθήκης διαβάζουμε ότι ο κόσμος δημιουργήθηκε σε διάστημα έξι ημερών. "...είπεν ο Θεός. γεννηθήτω φώς. και εγένετο φώς". Στον αρχαίο Ελληνικό χώρο θα σάς υπενθυμίσω ένα απόσπασμα της ραψωδίας Ξ'  στ. 246 της Ιλιάδος όπου ο Όμηρος αναφέρει: "ποταμοίο ρέεθρα Ωκεανοίο, όσπερ γένεσιν πάντεσι τέτυκται" ότι δηλαδή από τα νερά του Ωκεανού δημιουργήθηκαν οι θεοί και από αυτούς ο κόσμος.  Σύμφωνα με τις Ορφικές παραδόσεις ο Αριστοφάνης στις "Όρνιθες" (στιχ.695) γράφει ότι "η Νύξ εγέννησε ένα ωόν εκ τού οποίου εξεκολάφθη ο Έρως ο οποίος εκ του Ταρτάρου δημιούργησε τους ανθρώπους" μέσα σε διάστημα έξι κοσμολογικών εποχών με πρώτη εποχή τον Χρόνο.

Όμως οι πρώτες καθαρά επιστημονικές κοσμογονικές θεωρίες πρωτοδιατυπώθηκαν από τους Ίωνες αστρονόμους και  φιλοσόφους  τον 6ον  π. Χ αιώνα και ήταν η αφετηρία όλων των μετέπειτα θεωριών που είχαν σκοπό να εξηγήσουν την δομή των φυσικών νόμων που διέπουν την ολότητα του σύμπαντος και αυτήν την φύση των  ουρανίων σωμάτων. Ο Θαλής ο Μιλήσιος (624-541 π.Χ) ανακάλυψε τον ηλεκτρισμό, η δύναμη του οποίου εμφανιζόταν σαν η σημαντικώτερη μορφή ενεργείας η οποία κατά την γνώμη του εξουσίαζε καθολικά το σύμπαν. Ο Θαλής εφαντάζετο έναν κόσμο ηλεκτρομαγνητικό όπου το φώς αποτελείται από σωματίδια τα οποία έλκονται όπως το κεχριμπάρι έλκει διάφορα σώματα με την τριβή του ενώ το σύμπαν έχει προέλευση το νερό και το σχήμα του είναι ημισφαιρικό. Ο Aναξίμανδρος (610-545 π.Χ) ως πρώτη ύλη του σύμπαντος θεωρεί  την γή, το ύδωρ, τον αέρα και την φωτιά.  Οι Πυθαγόριοι (Ηρακλείδης, Εύδοξος, Κάλιππος) παρεδέχοντο σαν πρώτη γενική αρχή του σύμπαντος το πύρ ενώ η  έλξη του πρός τα γειτονικά υλικά  συνετέλεσε στην μορφοποίηση των ουρανίων σωμάτων (6^ος αιώνας π.Χ). Κατά τον Εμπεδοκλή (495-435 π.Χ) η ανάμειξη της γής, του πυρός  και του ύδατος ήταν η αιτία σχηματισμού των ουρανίων σωμάτων. Η ατομική θεωρία του Λευκίππου και του Δημοκρίτου (5^ος αιώνας π.Χ) περιγράφει έναν  κόσμο ο οποίος αποτελείται  από ελάχιστα άτμητα υλικά άτομα, ενώ ο μεγάλος φιλόσοφος Αριστοτέλης (384-323 π.Χ) εδίδασκε γιά την καθολική ομοιογένεια των  στοιχείων του σύμπαντος που δημιουργήθηκαν από τον «αεικίνητο πρώτον κινώντα» Θεό.

     

         

          Ορισμός της Κοσμολογίας και διακρίσεις αυτής.

Η σύγχρονη Κοσμολογία είναι ένας ιδιαίτερος κλάδος της Αστρονομίας η οποία σε συνδυασμό με την Φυσική επιστήμη, την Φιλοσοφία και την Θεολογία ασχολείται αφ' ενός με την φύση και τους κανόνες οι οποίοι διέπουν  το σύμπαν στην καθολικότητά του και αφ' ετέρου με την δημιουργία, την  προιστορία και την εξέλιξή του.  Η Φυσική ή Παρατηρησιακή Κοσμολογία με τις πραγματοποιούμενες παρατηρήσεις δίνει πληροφορίες γιά την ολότητα του σύμπαντος, ενώ η Θεωρητική Κοσμολογία  καθιερώνει πρότυπα τα οποία επιτρέπουν την περιγραφή των παρατηρουμένων ιδιοτήτων στο σύμπαν με μαθηματικoύς όρους, τα λεγόμενα Μοντέλα. Στήν επιστήμη τα μοντέλα θεμελιώνουν την περιγραφή μίας φυσικής θέσεως λαμβάνοντας υπ' όψη αριθμητικές ποσότητες των φυσικών παραμέτρων οι οποίες δίδονται με μαθηματικές εκφράσεις.  Ένα ικανοποιητικό μοντέλο πρέπει να είναι σε θέση με τις υφιστάμενες παρατηρήσεις να προβλέπει τυχόν αλλαγές ή προσθήκες. 

Η σύγχρονη παρατηρησιακή Κοσμολογία εκτιμά σε κλίμακα μεγάλων αποστάσεων την κατανομή του υλικού στο σύμπαν, τις ταχύτητες των γαλαξιών κλπ,  Παραδείγματα κοσμολογικών ερευνών αποτελούν οι ραδιοπηγές ή οι ουράνιες πηγές ακτίνων Χ όπου με την μελέτη των  κατανοούμε την εξέλιξη του σύμπαντος.  Επίσης  με την μέτρηση των ταχυτήτων απομακρύνσεως των μακρυνών γαλαξιών από όπου υπολογίζεται η ταχύτητα διαστολής του σύμπαντος. Μετρώντας την ισοτροπία της ακτινοβολίας διαπιστώνεται η ομοιογένεια του σύμπαντος πρός όλες τις κατευθύνσεις.

Η κλασσική Μηχανική του Νεύτωνος και του Γαλιλαίου τον 17ον αιώνα  δημιουργήθηκε για να εξηγήσει τα φαινόμενα του ορατού μηχανισμού του σύμπαντος. Ένα από τα αξιώματα της Μηχανικής  είναι ότι ο χώρος ο οποίος βαζίζεται στην Ευκλείδιο γεωμετρία των τριών διαστάσεων (μήκος-πλάτος-ύψος) είναι σταθερός και απόλυτος μέσα στον οποίο τοποθετούνται τα φυσικά φαινόμενα ανεξαρτήτως της θέσεως παρατηρήσεώς των. Ο χρόνος είναι μια ξεχωριστή οντότητα, απόλυτος και παγκόσμιος για όλους τους παρατηρητές ανεξάρτητα από την θέση των όπου  η κίνηση των ουρανίων σωμάτων καθορίζεται από τον τρόπο με τον οποίο μεταβάλλεται η θέση των με την πάροδο του χρόνου. Η θεωρία του νόμου της Παγκοσμίου Έλξεως του  Νεύτωνος βάσει της οποίας τα ουράνια σώματα αλληλοέλκονται προυπέθεταν την ύπαρξη ενός αγνώστου για την εποχή «αιθέρος» ο οποίος πληρεί το σύμπαν.

Τον 19ον αιώνα και συγκεκριμένα το έτος 1860 διατυπώνεται η Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία από τον James Maxwell (1831-1879) ο οποίος κατόρθωσε να ενοποιήσει τις θεωρίες περί ηλεκτρισμού και μαγνητισμού με βάση την ιδέα των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Οι εξισώσεις του περιγράφουν την σχέση μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων κατά έναν πρωτοποριακό τρόπο γιά εκείνη την εποχή, όπου ο χώρος δεν είναι κενός, αλλά παρουσιάζει ιδιότητες σχετικές με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Τα διάφορα οπτικά φαινόμενα εξηγούντο με την κυματοειδή φύση του φωτός.

Η σύγχρονη Κβαντομηχανική εμφανίζεται το έτος 1900 από τον Γερμανό Max Planc (1858-1947) ο οποίος επινόησε την Θεωρία των Κβάντων σύμφωνα με την οποία η ύλη εκπέμπει ή απορροφά την ακτινοβολία όχι συνεχώς, αλλά με συγκεκριμένα "πακέτα", τα λεγόμενα κβάντα ή φωτόνια τα οποία είναι ανάλογα της συχνότητος της ακτινοβολίας (ν) επί έναν σταθερό συντελεστή (h=κβαντική σταθερά). Τα φωτόνια έχουν μάζα και βάρος και θεωρούνται σαν ενέργεια κινούμενα με την ταχύτητα του φωτός. Το έτος 1926 ο W. Heinzeberger εφαρμόζοντας την Κβαντομηχανική στον μικρόκοσμο των ατόμων και των πυρήνων των, περιέγραψε τους μαθηματικούς κανόνες με τους οποίους γίνεται η διάσπασή των. 

Η θεωρία της Ειδικής Σχετικότητος.  Το έτος 1905 δημοσιεύεται από τον Αlbert Einstein η θεωρία της Ειδικής Σχετικότητος σε αντίθεση με την κλασσική Μηχανική η οποία δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει την βαρύτητα και τον ηλεκτρισμό. Με αφετηρία τις διατυπωθείσες διαφορές υπό του Lorentz για τον μετασχηματισμό της Μηχανικής και Ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας, η Ειδική και η Γενική Σχετικότητα απέδειξε μαθηματικά ότι οι τρείς διαστάσεις του μήκους, του πλάτους και του ύψους είναι ενωμένες με την διάσταση του χρόνου ώστε να αποτελούν ένα αδιάλυτο κράμα, τον χωροχρόνο. Είναι το λεγόμενο τετρασδιάστατο συνεχές. Σε αυτό το συνεχές οι διαφορετικοί  παρατηρητές έχουν διαφορετική αντίληψη περί του χώρου και του χρόνου. Ενώ κατά τον Νεύτωνα τα αντικείμενα δεν είναι δυνατόν να υπάρχουν χωρίς τον χώρο, κατά τον Einstein ο χώρος δεν υπάρχει χωρίς αντικείμενα. Για παράδειγμα ένα υλικό σώμα με σχετική κίνηση προς τον παρατηρητή φαίνεται μικρότερο κατά την διεύθυνση της κινήσεώς του από έναν παρατηρητή ο οποίος ευρίσκεται επάνω σε αυτό κινούμενος μαζί του.

Π.χ ράβδος ενός μέτρου η οποία ευρίσκεται επάνω στο σώμα αυτό και παράλληλη με την κίνησή του σώματος θα φαίνεται μικρότερη κατά το μήκος της στον δεύτερο παρατηρητή. Συστολή η οποία είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο η ταχύτητά της είναι πιο μεγάλη, ταχύτητα που σε καμία περίπτωση δεν είναι δυνατόν να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός η οποία είναι αξεπέραστο όριο. Επίσης η συστολή των μηκών συνοδεύεται από φαινομενική επιβράδυνση των ρολογιών με αποτέλεσμα ο χρόνος για τον κινούμενο παρατηρητή να κυλά πιο αργά σε σχέση με τον χρόνο του άλλου παρατηρητή. Η Γενική Σχετικότητα προβλέπει επίσης ότι κανένα υλικό σώμα δεν είναι δυνατόν να κινηθεί γρηγορώτερα από την ταχύτητα του φωτός. Στην υπέρβαση της ταχύτητος του φωτός, το σώμα μετατρέπεται σε ενέργεια (Ε=m.c2). Συνεπώς η ύλη θεωρείται συμπυκνωμένη ενέργεια η οποία έχει και μάζα και βάρος.

H έννοια του χωροχρόνου.  Κατά έναν ορισμό, χρόνος είναι η έννοια της διάρκειας ή της αλληλουχίας η οποία εκφράζεται σαν «πρίν» ή «μετά» και αποτελεί ουσιώδες δεδομένο της συνειδήσεως. Φιλοσοφικά, ο Πλάτων δέχεται ότι ο χρόνος δεν είναι είναι δυνατόν να υπάρξει χωρίς κίνηση, ενώ ο Νεύτων στο σύγγραμμά του «Principia» κατηγορηματικά διατύπωσε την άποψη ότι ο μαθηματικός χρόνος έχει απόλυτη υπόσταση ανεξάρτητα από τα φαινόμενα που διαδραματίζονται μέσα σε αυτόν. Ο χωροχρόνος βάσει της Σχετικότητος καθορίζεται σαν μία περιοχή όπου παρατηρώνται όλα τα ουράνια σώματα (πλανήτες, αστέρες, γαλαξίες) τα οποία περιγράφονται μεταξύ των με την διάσταση  του χρόνου (παρελθόν-παρόν-μέλλον) και με την προυπόθεση ότι η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή σε σχέση με την ιδία κίνηση του παρατηρητή. Η περιγραφή του χωροχρόνου  είναι η ίδια γιά όλους τους παρατηρητές στο σύμπαν, ενώ τα διαστήματα του χώρου και του χρόνου μεταξύ των δέν είναι όμοια.

Διάγραμμα του χωροχρόνου. Η έννοια του επίπεδου χωροχρόνου είναι δυνατόν να παρουσιασθεί  σε  ένα  διάγραμμα  όπου  ο  οριζόντιος άξονας παριστάνει θέσεις σε μία από τις τρείς διαστάσεις (μήκος-πλάτος-ύψος). Η θέση του παρατηρητή ευρίσκεται στην αρχή του διαγράμματος και ονομάζεται "εδώ και τώρα", όπου το "εδώ" είναι η θέση του παρατηρητή στο διάστημα και το "τώρα" είναι ο παρόν χρόνος.  Η επάνω από τον οριζόντιο άξονα περιοχή παριστάνει το μέλλον και η κάτω περιοχή το παρελθόν. 

Παραδείγματος χάριν, εάν η πρώτη μετακίνηση στον άξονα του διαστήματος αντιπροσωπεύει "ένα έτος φωτός από εδώ", η αντίστοιχη μετακίνηση στον άξονα του χρόνου δηλώνει "ένα έτος από τώρα".  Επειδή το φώς με την γνωστή του ταχύτητα ταξιδεύει ένα έτος σε ένα έτος του χρόνου, η διέλευσή του σχηματίζει γωνία 45 μοιρών στό διάγραμμα.  Τα υλικά σωματίδια όμως που ταξιδεύουν πάντα  με μικρότερη ταχύτητα από αυτήν των 300.000 χιλ/δευτερόλεπτο αμβλύνουν την γωνία περισσότερο από 45ο ανάλογα με την ταχύτητά των.

Οι φωτεινές περιοχές του διαγράμματος εκατέρωθεν των 45ο είναι οι κώνοι του μέλλοντος και τού παρελθόντος, όπου ο παρατηρητής θεωρητικά είναι δυνατόν να μεταβεί ή να στείλει φώς.  Γεγονότα έξω από τους δύο αυτούς κώνους χαρακτηρίζονται σαν "αλλού" επειδή γιά να ταξιδεύσουν στον παρατηρητή χρειάζονται ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός.

Το διάγραμμα  υφίσταται παραμόρφωση σε ένα σφαιρικό χωροχρόνο, η καμπυλότητα του οποίου εξαρτάται από την παρουσία υλικών μαζών και ενεργείας, όπου κατά έναν ορισμό, ο χώρος υποδεικνύει στην ύλη πώς να κινείται, και η ύλη καθορίζει το πώς ο χρόνος να παραμορφώνεται όπως παρουσιάζεται στην θεωρία της Γενικής Σχετικότητος

Η Γενική Σχετικότητα.  Μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνος και συγκεκριμένα το έτος 1916 όπου ο Albert Einstein ολοκλήρωσε την διατύπωση της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητος, επικρατούσε η άποψη ότι όλα τα ουράνια σώματα και τα αστρονομικά φαινόμενα διέπονται αποκλειστικά και μόνο από τον νόμο της Παγκοσμίου Έλξεως.  Η θεωρία του Νεύτωνος σε συνδυασμό με τους νόμους του Κέπλερ εξηγούσε με ικανοποιητικό αλλά όχι απόλυτο τρόπο τις κινήσεις των μελών του πλανητικού συστήματος και γενικώτερα των αστρικών συστημάτων με αναφορά στις τρείς γνωστές διαστάσεις, του μήκους, του πλάτους και του ύψους. Η κεντρική ιδέα της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητος προσθέτει την διάσταση του χρόνου όπου η βαρύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα  μία δύναμις, αλλά το φυσικό επακόλουθο της παραμορφώσεεως των τεσσάρων διαστάσεων του χωροχρόνου από μία μικρή ή μεγάλη ποσότητα ύλης στο διάστημα (πλανήτης, αστέρας, γαλαξίας). Καθώς τα αντικείμενα αυτά κινούνται στον χωροχρόνο ο οποίος αποτελεί μορφή της γεωμετρίας του σύμπαντος, είναι σαν να "κυλάνε" μέσα και έξω από αυτές τις παραμορφώσεις τις οποίες δεν είναι δυνατόν να δούμε. Αυτό που διαπιστώνουμε είναι η επίδραση της βαρύτητος των ουρανίων σωμάτων. Ενώ σε ένα σύμπαν τριών διαστάσεων αναφερόμαστε σε "σημεία",  στο τετρασδιάστατο σύμπαν αυτά τα σημεία παρουσιάζονται σαν  "γεγονότα".  Δέν είναι δηλαδή αρκετό να πούμε ότι "ένα γεγονός συμβαίνει", αλλά "ο χρόνος μέσα στον οποίο αυτό το γεγονός συμβαίνει" μέσα σε έναν συγκεκριμένο χώρο του διαστήματος. Εάν υποθέσουμε ότι στο σύμπαν απουσιάζουν η μάζα ή η ενέργεια και συνεπώς και η βαρύτητα, τότε ο χωροχρόνος θα είναι τελείως επίπεδος χωρίς να παρουσιάζει παραμορφώσεις.  Παραδείγματος χάριν φαντασθείτε την επιφάνεια της γής  μας η οποία όταν παρατηρείται από το διάστημα φαίνεται κυκλική στο σύνολό της, ενώ μία μικρή κλίμακα αυτής σε μεγέθυνση δίδει την εντύπωση ότι είναι επίπεδη. 

Η γεωμετρία του επιπέδου και του καμπύλου χωροχρόνου. Η  έννοια  του χωροχρόνου ευκολότερα κατανοείται σε ένα χώρο τριών διαστάσεων, η πιθανή μορφή του οποίου περιγράφεται από τις εξής γεωμετρίες όπως παρουσιάζονται στην διπλανή σελίδα.

Η Ευκλείδιος γεωμετρία η οποία κατ' εξοχήν κυριάρχησε γιά πολλούς αιώνες από τα στοιχεία του Ευκλείδου (330-275 π.Χ) μάς παρουσιάζει ένα επίπεδο χώρο τριών διαστάσεων όπου ισχύει  το αξίωμα ότι το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι 180ο και ότι δύο παράλληλες γραμμές όσο και άν προεκταθούν, ποτέ δεν θα συναντηθούν (σχήμα Α).

Η Ρημάνειος γεωμετρία ή σφαιρική γεωμετρία την οποία εισήγαγε ο Γερμανός μαθηματικός G. Riemman (1826-1866) εφαρμόζεται σε μία σφαίρα η οποία αντικαθιστά το επίπεδο όπου το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι πάντα μεγαλύτερο από 180ο ενώ δύο παράλληλες γραμμές όταν προεκταθούν, θα συναντηθούν (σχήμα Β). Αυτή η γεωμετρία έχει θετική καμπυλότητα και είναι πεπερασμένη χωρίς όρια.

Η γεωμετρία του Lobatchevcky (1792-1856).  Ονομάζεται και υπερβολική γεωμετρία την οποία περιέγραψε το 1829 ο Ρώσος μαθηματικός Ν. Lobatchevcky (1792-1856).    Εδώ  το  άθροισμα των  γωνιών  του τριγώνου είναι μικρότερο από 180ο και οι παράλληλες ευθείες αποκλίνουν μεταξύ των (σχήμα Γ).  Η επιφάνεια δεν είναι  σφαιρική ούτε επίπεδη, αλλά ο χώρος έχει

σχήμα σέλας αλόγου, ενώ η γεωμετρία αυτή έχει αρνητική καμπυλότητα και εκτείνεται στό άπειρο.

Σε έναν επίπεδο χωροχρόνο οι νόμοι της φυσικής περιγράφονται από την θεωρία της Ειδικής Σχετικότητος.  Εδώ κάθε σωματίδιο κινείται ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα, και μόνον στην εξωτερική περιοχή ο χωροχρόνος θα εμφανίζεται καμπυλωμένος. Tα γεωμετρικά αποτελέσματα  του χωροχρόνου τα οποία παίζουν σημαντικό ρόλο στην θεωρία της Σχετικότητος κατανοούνται ευκολώτερα σε έναν χώρο τριών διαστάσεων όπως αναφέραμε.  Σε ένα  επίπεδο σύμπαν όλα τα σημεία του χώρου σχετίζονται το ένα με το άλλο από την κλασσική γεωμετρία του Ευκλείδου  όπου η συντομώτερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων είναι η ευθεία γραμμή.  Αντίθετα, σε ένα καμπύλο σύμπαν  οι νόμοι που διέπουν δύο σημεία είναι εντελώς διαφορετικοί.  Σε μία σφαιρική επιφάνεια γιά παράδειγμα η  απόσταση μεταξύ δύο σημείων είναι βραχύτερη στην περιφέρεια από αυτήν που διέρχεται από το κέντρο της σφαίρας.

Μία βασική αρχή της Γενικής Σχετικότητος είναι ότι κάθε φυσικός νόμος έχει καθολική ισχύ σε ένα οποιοδήποτε σημείο του χωροχρόνου.  Οι  νόμοι    είναι

νόμοι του χωροχρόνου και όχι νόμοι των σημείων.  Επίσης το αξίωμα ότι η επιτάχυνση είναι ισοδύναμη με την βαρύτητα αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο της θεωρίας (αρχή της ισοδυναμίας ).

Αποτελέσματα της Γενικής Σχετικότητος.   Μία  αληθοφανής  απόδειξη της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητος είναι η καμπύλωση του χωροχρόνου κοντά στον ήλιο, η μάζα του οποίου είναι αιτία της αποκλίσεως της διευθύνσεως των φωτεινών ακτίνων αστέρων οι οποίοι προβάλλονται πίσω από τον ήλιο (σχήμα).  Η θεωρία επιβεβαιώθηκε κατά την ολική έκλειψη ηλίου της 19/5/1919 όπου με σύγκριση των θέσεων των αστέρων στο ίδιο οπτικό πεδίο με εκείνο όπου ευρίσκετο ο ήλιος διαπιστώθηκε διαφορά των πραγματικών θέσεών των κατά 1,75" τόξου όπως προέβλεπε η θεωρία.

Τα αποτελέσματα της Γενικής Σχετικότητος επιβεβαιώνονται και στην περίπτωση της μεταθέσεως του περιηλίου του πλανήτη Ερμή κατά 43" περίπου κάθε χρόνο, ποσό μεγαλύτερο από την μετατόπιση η οποία συμβαίνει βάσει των νόμων της παγκοσμίου έλξεως (531"/ανά έτος) από την  μεγάλη έλξη του ηλίου όταν ο Ερμής τον πλησιάζει αισθητά λόγω της μεγάλης εκκεντρότητος της τροχιάς του.  Ανάλογη είναι η περίπτωση καθυστερήσεων λήψεως των ραδιοσημάτων του διαστημοπλοίου Viking 1 από τον Άρη πρός τη Γή όταν μεταξύ των δύο πλανητών παρεμβαλλόταν ο ήλιος, η μάζα του οποίου καμπύλωνε τον χρόνο λήψεως των  σημάτων κατά 200 μικροδευτερόλεπτα.

Μία μεγάλη στρέβλωση του χωροχρόνου στό εξωγαλαξιακό διάστημα

δημιουργείται με τους βαρυτικούς φακούς όπου μεταξύ ενός μακρυνού γαλαξία παρεμβάλλεται ένα ογκώδες γαλαξιακό σμήνος ή άλλος σπειροειδής γαλαξίας, η βαρύτητα των οποίων είναι αιτία μεγενθύσεως ή και τετραπλασιασμού της εικόνος του quazar ή του γαλαξία (σχήμα). 

Σαν παραδείγματα αναφέρουμε το κυκλικό είδωλο του Quazar MG 1654+1348 (δακτυλίδι Einstein) όπως και την τετραπλή εικόνα ενός Quazar (σταυρός Einstein).

Αποτέλεσμα της αρχής της ισοδυναμίας μεταξύ βαρύτητος και επιταχύνσεως είναι η παρουσιαζόμενη ερυθρά μετατόπιση του φάσματος λόγω βαρύτητος όπου σε έναν αστέρα τα φωτόνια χάνουν ενέργεια καθώς ταξιδεύουν σε περιοχές με μεγάλη βαρύτητα. Παρόμοιο γεγονός αλλά με πολύ μικρή μετατόπιση παρατηρείται στον ήλιο με εμπόδιο όμως την δυναμική του ατμόσφαιρα. Βαρυτικές ερυθρές μετατοπίσεις 1000 φορές μεγαλύτερες της ηλιακής μετρώνται στις λεπτές ατμόσφαιρες των λευκών νάνων οι οποίοι όμως έχουν την ίδια μάζα με τον ήλιο ή και μεγαλύτερες (αστέρες νετρονίων).

Η Γενική Σχετικότητα προβλέπει και μία εξήγηση γιά τα κύματα βαρύτητος  τα οποία ως γνωστό παράγονται κυρίως είτε από εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων ή από ζεύγη αστέρων νετρονίων κυρίως. Τα κύματα βαρύτητος τρέχουν με την ταχύτητα του φωτός και χαρακτηρίζονται σαν κύματα καμπυλότητος του χωροχρόνου, τον οποίο και τον διαταράσσουν τοπικά.  Σε ένα διπλό σύστημα αστέρων νετρονίων δαπανάται ενέργεια ικανή για εκπομπή κυμάτων βαρύτητος εκατέρωθεν των δύο αστέρων με σπειροειδή μορφή.  Eπαλήθευση της θεωρίας είναι η συρρίκνωση της χρονικής περιόδου περιστροφής των δύο αστέρων.

Μεγάλη καμπύλωση του χωροχρόνου προξενείται και από τις μελανές οπές όπου αυτές παρουσιάζονται εξαφανισμένες επειδή  το φώς εγκλωβίζεται μέσα σε αυτές και είναι εντελώς άγνωστες οι περιοχές με τις οποίες συγκοινωνούν. Με βάση την Μετρική των Robertson-Walker ο χωροχρόνος διαχωρίζεται σε δύο έννοιες κοινές για όλους τους παρατηρητές, το καμπύλο διάστημα και τον κοσμικό χρόνο. Αυτός ο διαχωρισμός εξαρτάται από τις μεγάλες χωροχρονικές καμπυλώσεις όπου στις μελανές οπές η κατανομή του χώρου και του χρόνου διαταράσσεται ισχυρά.

Η ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ.

Ο παγκόσμιος νόμος του Hubble.  Το έτος 1919 ο αστρονόμος Edwin Hubble εξετάζοντας το φάσμα του νεφελοειδούς της Ανδρομέδας στο αστεροσκοπείο Wilson διαπίστωσε ότι οι φασματικές ραβδώσεις παρουσιάζουν μετατοπίσεις πρός το ερυθρό τμήμα, γεγονός από το οποίο τελικά συμπεραίνεται ότι ο κοντυνός μας μεγάλος σπειροειδής γαλαξίας απομακρύνεται ταχύτατα από τον παρατηρητή και κατά συνέπεια από τον ίδιο το γαλαξία μας.  Από την γενική αρχή των Doppler-Fizeaux είναι γνωστό ότι όταν ένα κινούμενο φωτεινό σώμα μας πλησιάζει τότε οι γραμμές του φάσματός του μετατίθενται πρός το ιώδες μέρος, ενώ στην αντίθετη περίπτωση όταν αυτό απομακρύνεται οι γραμμές συγκλίνουν πρός τα δεξιά, στην ερυθρή περιοχή.  Η παρουσιαζόμενη  μετατόπιση πρός το ερυθρό του φάσματος των γαλαξιών έχει επικρατήσει να ονομάζεται με τον όρο redshift και συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα  z.   

Βάσει των τύπων της φυσικής η πραγματική ταχύτητα με την οποία απομακρύνεται ο νεφελοειδής  της Ανδρομέδας ανέρχεται σε πολλές δεκάδες χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Κατά παρόμοιο τρόπο, στα φάσματα άλλων μακρυνοτέρων γαλαξιών ο Hubble και οι συνεργάτες του αστρονόμοι διαπίστωσαν μεγαλύτερες μετατοπίσεις στο ερυθρό, γεγονός που μεταφράζεται σε μεγαλύτερες ταχύτητες απομακρύνσεως από τον γαλαξία μας.  Ισχύει ο κανόνας ότι όσο πιό μακρυά είναι ένας γαλαξίας, τόσο αναλογικά αυξάνεται το  z  και συνεπώς η ταχύτητα με την οποία απομακρύνεται, αλλά μέχρις του φυσικού φραγμού της ταχύτητος του φωτός (c= 300.000 χιλ/δευτερόλεπτο). Η ταχύτητα του φωτός είναι η μεγαλύτερη  ταχύτητα  με την οποία μπορεί να κινηθεί ένα υλικό σώμα και στην υπέρβασή της η ύλη μετατρέπεται σε ενέργεια. (Θεωρία Ειδικής Σχετικότητος). Η ευρεθείσα σχέση αποστάσεων και ταχυτήτων απομακρύνσεως των γαλαξιών αποτελεί τον καθολικό νόμο του Hubble (1929), όπως παρουσιάζεται στό διπλανό σχήμα. Στην αρχή διαμορφώθηκε η άποψη ότι μεταξύ των γαλαξιών επικρατεί ο νόμος της απώσεως σε αντίθεση με τον νόμο της παγκοσμίου έλξεως που εφαρμόζεται μόνο μέσα στον χώρο των αστέρων και των πλανητών, όπως επίσης ότι η ερυθρά μετατόπιση οφείλεται στην Γενική σχετικότητα (αρχή της ισοδυναμίας).  Όμως ο νόμος του Hubble αποτελεί την ισχυρή απόδειξη ότι το σύμπαν δέν είναι στατικό, αλλά διαστέλλεται κάτω από την χρονική διάσταση.  Αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα σύμφωνα με την επικρατέστερη  θεωρία της Μεγάλης Εκρήξεως (Big-Bang) είναι ότι διαστέλλεται ο χώρος του σύμπαντος, επάνω στον οποίο "επιπλέουν" οι γαλαξίες.  Η αρχική εντύπωση που δημιουργείται είναι ότι ο γαλαξίας μας κατέχει το κέντρο του σύμπαντος και όλοι οι άλλοι γαλαξίες απομακρύνονται από αυτόν, πράγμα που όμως δεν συμβαίνει, γιατί απλούστατα σε όποιο γαλαξία και να βρεθούμε, θα μάς δημιουργείται η ανάλογη εντύπωση ότι δηλ. αυτός κατέχει το κέντρο της διαστολής.

Το φαινόμενο της φυγής των γαλαξιών είναι δυνατόν  να αναπαρασταθεί  με ένα μπαλόνι που στήν απλούστερή του μορφή παριστάνει το σύμπαν, επάνω στο οποίο είναι ζωγραφισμένες μικρές κουκκίδες οι οποίες αντιπροσωπεύουν τους διάφορους γαλαξίες.  Με το σταδιακό φούσκωμα του μπαλονιού θα μεγαλώνει ο όγκος του με αποτέλεσμα οι κουκκίδες να απομακρύνονται μεταξύ των.  Άν υποθέσουμε ότι μια ορισμένη κουκκίδα παριστάνει τον γαλαξία μας, τότε οι πιό μακρυνές κουκκίδες θα φαίνονται ότι μετατοπίζονται γρηγορώτερα από τις κοντυνώτερες, ενώ όποια κουκκίδα θεωρήσουμε σαν κέντρο, θα παρατηρούμε ανάλογα φαινόμενα απομακρύνσεων.

Διάγραμμα του Hubble.  Σε αυτό το διάγραμμα με τεταγμένη τις αποστάσεις και τετμημένη τις

ταχύτητες των γαλαξιών (γαλαξιακών συστροφών) ο Hubble προσπάθησε να υπολογίσει τις ταχύτητες διαφυγής των γαλαξιών γιά κάθε 1 megaparsec απόσταση. Όμως στις παρουσιαζόμενες μεγάλες μετατοπίσεις  πρός το ερυθρό η μορφή του διαγράμματος δεν είναι αληθοφανής, αλλά εξαρτάται από την πιθανή γεωμετρία του σχήματος του σύμπαντος.

Η σταθερά Hubble  (H0).  Eίναι ένας υποθετικά σταθερός αριθμός ο οποίος προσπαθεί να καθορίσει από το προηγούμενο διάγραμμα την ταχύτητα με την οποία διαστέλλεται το σύμπαν ανάλογα με την χρονική διάσταση.  Όμως δεν είναι εύκολο να υπολογισθεί σε κλίμακες εξωγαλαξιακών αντικειμένων στο διαστελλόμενο σύμπαν.  Η  H0  τροποποιείται με την αύξηση των χωροχρονικών αποστάσεων και χάνει την έννοια της σταθεράς, γι' αυτό ονομάζεται και παράμετρος του Hubble.  Πάντως η σταθερά του Hubble γιά κάθε απόσταση ενός megaparsec (mpc) κυμαίνεται μεταξύ 50-100 χιλ/δευτερόλεπτο.

ΤΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

Ο 20ος αιώνας με την αλματώδη πρόοδο των φυσικών και μαθηματικών επιστημών όπως και της Αστροφυσικής, δημιούργησε τις προυποθέσεις εκείνες δια μέσω διαφόρων θεωριών από όπου ο άνθρωπος άρχισε τελικά να κατανοεί τον ασύλληπτο στον νού του μέχρι τότε σύμπαν του μακροκόσμου και μικροκόσμου. Από την Σχετικότητα και την Κβαντομηχανική μέχρι τις τελευταίες σύγχρονες θεωρίες σε συνδυασμό με την τεχνολογική πρόοδο του ανθρώπου στο διάστημα όπου με την λήψη ουσιωδών πληροφοριών αφ’ ενός και αφ’ ετέρου με την εξέλιξη των επιταχυντών σωματιδίων από όπου ερευνάται η δομή του ατόμου, τελικά έρχεται στο προσκήνιο η πλέον αξιόπιστη θεωρία της Μεγάλης Εκρήξεως (Big-Bang) βάσει της οποίας δημιουργήθηκε από το Μηδέν το εξελισσόμενο ορατό Σύμπαν. Αξίζει εδώ να συνοψίσουμε όλες τις θεωρίες εκείνες με τις οποίες παρουσιάζεται το μέγεθος, η δημιουργία και η πιθανή μορφή του Σύμπαντος. 

Το τετρασδιάστατο Σύμπαν των Einstein-Minkowski. Οι πολύπλοκες και δυσκολονόητες εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητος τις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνος μάς παρουσιάζουν ένα κλειστό σφαιρικό χωροχρονικό σύμπαν το οποίο δεν είναι δυνατόν να είναι άπειρο, αλλά συνάμα είναι και "περιορισμένο" και "πεπερασμένο", η δε  ισορροπία του εξασφαλίζεται από τις δυνάμεις της έλξεως και της απώσεως για μια ωρισμένη πυκνότητα της ύλης.. Αυτό από πρώτη όψη φαίνεται ότι δεν είναι λογικό, και οφείλεται στο γεγονός ότι δέν είναι δυνατόν να κατανοηθεί άμεσα η έννοια του χωροχρόνου. Ο ορισμός αυτός γίνεται σαφέστερος με το παράδειγμα μιάς ακτίνας φωτός η οποία κατευθύνεται ευθύγραμμα  μέσα στο διάστημα.  Αυτή η ακτίνα δεν θα σταματούσε πουθενά διότι το σύμπαν του Einstein δεν είναι πεπερασμένο, αλλά δέν θα απομακρυνόταν και στο άπειρο διότι το σύμπαν δέν είναι περιωρισμένο και τελικά η φωτεινή ακτίνα θα κατάληγε στο σημείο από όπου αναχώρησε γιά τον λόγο ότι αυτή θα καμπυλωνόταν συνέχεια στον χώρο.  Η απλούστερη μέτρηση του διαστήματος (s) για έναν επίπεδο χωροχρόνο σε ένα κλειστό σύμπαν χωρίς υλικές παραμορφώσεις  δίδεται από τον τύπο      s2=t2-(x2+y2+z2)/c2. Ένα άλλο κατανοητότερο παράδειγμα παρουσιάζεται σε έναν χώρο τριών διαστάσεων όπου ένας άνθρωπος βαδίζει συνεχώς στην επιφάνεια της γής όλο εμπρός και σε ευθεία γραμμή.  Ο οδοιπόρος μας δέν θα συναντούσε ποτέ πέρατα, αλλά μόνον στην περίπτωση κατά την οποία η γή είχε μόνο δύο διαστάσεις (επίπεδη και κυκλική).  Συνεπώς κατά το βάδισμά του δεν θα σταματούσε πουθενά αλλά όμως θα περνούσε από το σημείο όπου αναχώρησε.  Η αντίληψη που θα διαμόρφωνε θα ήταν ότι η γή είναι πεπερασμένη, αλλά συγχρόνως ότι δεν έχει και όρια επειδή θα εκινείτο επ' άπειρον στην ίδια διεύθυνση όπως και θά ήταν σε θέση να μετρήσει πόσα χιλιόμετρα διατρέχει.  Κατά παρόμοιο τρόπο στο σύμπαν του Einstein ο αστρονόμος θεωρητικά είναι σε θέση και να μετρήσει όλους τους γαλαξίες που το αποτελούν και να υπολογίσει την ακτίνα του, εφ' όσον το σύμπαν είναι περιωρισμένο.

Η κοσμολογική σταθερά. Ο Einstein μετά την ολοκλήρωση της θεωρίας του είχε την πεποίθηση ότι το σύμπαν είναι στατικό άν και οι εξισώσεις του έδειχναν ακριβώς το αντίθετο ότι δηλαδή και δυναμικό είναι, και επεκτείνεται.  Αποδεχόμενος με επιφύλαξη την στατικότητα του σύμπαντος, εισήγαγε στις εξισώσεις του έναν πρόσθετο όρο, την κοσμολογική σταθερά (σύμβολ. λ),  η οποία  "διορθώνει" τρόπον τινά τις δυνάμεις ασταθούς ισορροπίας του σύμπαντος προκειμένου αυτό να παραμείνει αδιατάρακτο. Η κοσμολογική σταθερά εξαρτάται από την μέση πυκνότητα της ύλης και της ακτινοβολίας αυτής. Εάν η μέση πυκνότητα είναι κατώτερη της τιμής της κοσμολογικής σταθεράς, η απώθηση υπερνικά την έλξη και το σύμπαν διαστέλλεται, ενώ σε αντίστροφη περίπτωση το σύμπαν θα συστέλλεται.   

Όμως στην επόμενη δεκαετία και κύρια με την διαπίστωση από τον Edwin Hubble (1929) του φαινομένου των απομακρύνσεων και της συνεχούς διαφυγής των γαλαξιών από την γή  με ταχύτητες ανάλογες των αποστάσεών των αποδείχθηκε περίτρανα ότι το σύμπαν και διαστέλλεται και επεκτείνεται.  Με αυτό το γεγονός τελικά υποχρεώθηκε ο Einstein να διακυρήξει το έτος 1932 ότι η κοσμολογική σταθερά ισούται με το μηδέν ενώ την αποκάλεσε ως "το μεγαλύτερο λάθος της ζωής του".

Το μοντέλο De Sitter. Διατυπώθηκε το 1917 από τον De Sitter βάσει του οποίου το σύμπαν διαστέλλεται αλλά με την απουσία υλικού και ακτινοβολίας. Αυτή η εσφαλμένη υπόθεση είναι ιστορικά ενδιαφέρουσα επειδή αποτελεί τον προπομπό της ιδέας ότι πράγματι το σύμπαν διαστέλλεται όπως αποδείχθηκε μετά με το φαινόμενο της απομακρύνσεως των γαλαξιών.

Το Σύμπαν Friedman. To έτος 1922 ο Ρώσος μαθηματικός Alexander Friedman (1888-1925) στις εργασίες του απέδειξε ένα λάθος στην κοσμολογική σταθερά κατά τρόπον ώστε πιθανά μοντέλα διαστελλομένου και παλλομένου σύμπαντος να είναι εφικτά στην Γενική Σχετικότητα. Εάν η πυκνότητα των υλικών του σύμπαντος είναι μεγαλύτερη από μία οριακή τιμή,την λεγομένη κρίσιμη πυκνότητα, τότε το σύμπαν θα καταρρεύσει ενώ εάν είναι μικρότερη, το σύμπαν θα διαστέλλεται διαρκώς. Στην περίπτωση κατά την οποία  είναι ίση με την κρίσιμη πυκνότητα, τότε το σύμπαν πάλι θα διαστέλλεται αλλά  με επιβραδυνόμενο ρυθμό. Το σύμπαν Friedman είναι ομογενές και ισότροπο όπου ο χωροχρόνος είναι δυνατόν να διαχωρισθεί σε δύο έννοιες κοινές για όλους τους παρατηρητές, το καμπύλο διάστημα και τον κοσμικό χρόνο.(Μετρική Robertson-Walker).

Η υπόθεσις του Lemaitre. Διατυπώθηκε το 1927 από τον Βέλγο ιερέα και μαθηματικό George Lemaitre (1894-1966) και είναι η πρώτη θεωρία στο προσκήνιο η οποία ανατρέχει στην ιστορική προέλευση του σύμπαντος η οποία λέγεται και θεωρία του κοσμικού ατόμου. Ο Lemaitre είχε την άποψη ότι το σύμπαν προέρχεται από την απότομη διαστολή μιάς απειροελάχιστης ποσότητος ενεργείας την οποία ονομάζει κοσμικό άτομο σε μία χρονική εποχή κατά την οποία το σύμπαν ήταν συμπιεσμένο σε μία υπέρπυκνη μάζα μεγέθους ενός πρωτονίου όπου όλη η ύλη και η ενέργειά του ήταν περιορισμένη σε ένα και μοναδικό μαθηματικό σημείο. Αυτή η θεωρία αποτελεί τον προπομπό της σύγχρονης θεωρίας της Μεγάλης Εκρήξεως.

Το εκραγέν σύμπαν του Milne. Η θεωρία του Edward Milne η οποία παρουσιάσθηκε το 1948 μας παρουσιάζει ένα ανοικτό με αρνητική καμπυλότητα διαστελλόμενο σύμπαν χωρίς την χρήση της Γενικής Σχετικότητος όπου αυτό κατά τα πρώτα στάδια της υπάρξεώς του εξερράγη δημιουργώντας τους γαλαξίες και τους αστέρες. Αποτελεί την πρώτη σε διατύπωση θεωρία η οποία δέχεται την αρχική εξέλιξη του σύμπαντος κατά εκρηκτικό τρόπο. Το σύμπαν του Milne κατά την έκρηξή του είχε ισοτροπία και ομοιογένεια ενώ υπήρχε απουσία υλικού.

 

Από την δίτομη εργασία μου ΓΗ, ΤΟ ΚΕΝΤΡΟ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ, τ.2-σελ.162-173, ©1999

Ι.ΚΟΛΙΟΠΟΥΛΟΣ