3/5/12

Ο ΜΥΘΟΣ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΚΗΣ ΟΜΟΙΟΓΕΝΕΙΑΣ (Πώς τα παραδείγματα επηρεάζουν την επιστήμη)

Στα μαθηματικά, η ομοιογένεια είναι μια απλή σχέση η οποία εξασφαλίζει τη γραμμικότητα. Για τη φυσική και την κοσμολογία, η ομοιογένεια σχετίζεται με θεμελιώδεις μετασχηματισμούς συμμετρίας, την κοσμολογική αρχή, και υποστηρίζει την ίδια την προέλευση του σύμπαντος. Ωστόσο, είναι γεγονός ότι η ύλη μέσα στο σύμπαν κατανέμεται με τη μορφή γαλαξιών και ομάδων γαλαξιών, ενώ ανάμεσά τους υπάρχουν τεράστια κενά διαστήματα. Ίσως η θεώρηση της σκοτεινής ύλης να καλύψει αυτά τα «κενά» προς όφελος της κοσμολογικής ομοιογένειας, αλλά προς το παρόν υπάρχει ένα σύνολο συσσωρευμένων παρατηρήσεων που υποδεικνύουν ότι η ανομοιογένεια είναι αυτή που επικρατεί και η οποία διατηρείται και στις μεγαλύτερες κλίμακες.

Η σύγχρονη κοσμολογία τοποθετείται στις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα όταν οι εξισώσεις πεδίου της γενικής σχετικότητας του Einstein εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στο ορατό σύμπαν συνολικά. Οι σοβαρές δυσκολίες στην επίλυση αυτών των οδήγησαν τους θεωρητικούς να εισάγουν διάφορες υποθέσεις απλοποίησης όπως το αξίωμα της κοσμολογικής ομοιογένειας προκειμένου να κατασταθούν τα αντίστοιχα μαθηματικά πιο εύχρηστα. Στη συνέχεια, η εργασία του Edwin Hubble και των συνεργατών του έδειξαν μια κατά προσέγγιση γραμμική σχέση ανάμεσα στις γωνιακές ταχύτητες και τις αποστάσεις των γαλαξιών, και η αστροφυσική κοινότητα βαθμιαία πείσθηκε ότι το ορατό μέρος του σύμπαντος εμφανιζόταν να υπόκειται σε μια αρκετά ομοιόμορφη επέκταση.

Βαθμιαία το κοσμολογικό μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης πήρε μορφή και άρχισε να κυριαρχεί. Αυτό το παράδειγμα θεωρεί ότι πριν περίπου 11-15 δισεκατομμύρια χρόνια όλος ο χώρος, ο χρόνος και η ύλη βρίσκονταν πακεταρισμένα μέσα σε μια μυστήρια οντότητα που ονομάζεται μοναδικότητα ή ιδιομορφία. Για άγνωστους λόγους το ορατό σύμπαν θεωρήθηκε ότι είχε αρχίσει να επεκτείνεται από αυτήν την αρχική κατάσταση απόλυτης κατάρρευσης. Μόλις η θερμοκρασία της ψυχόμενης ύλης έγινε αρκετά χαμηλή, δομές όπως τα άτομα, τα αστέρια και οι γαλαξίες μπορούσαν να «συμπυκνωθούν» βαρυτικά. Στο μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης είναι φυσικό να αναμένεται ότι η ομοιόμορφη επέκταση θα οδηγούσε στην ομοιογενή κατανομή της ακτινοβολίας υποβάθρου και των μακροσκοπικών δομών, έτσι ώστε η απλουστευτική υπόθεση της ομοιογένειας φάνηκε αρκετά ασφαλής.

Η πρώτη σοβαρή πρόκληση στην υπόθεση της κοσμολογικής ομοιογένειας ήρθε στο τελευταίο μισό της δεκαετίας του '20 όταν οι αστρονόμοι επιβεβαίωσαν ότι τα αστέρια δεν κατανέμονται ομοιογενώς, αλλά αντίθετα συγκεντρώνονται σε εκτεταμένα «αστρικά νησιά,» που τώρα ονομάζουμε γαλαξίες. Στη συνέχεια υποτέθηκε ότι πέρα από την κλίμακα των μεμονωμένων γαλαξιών, από περίπου 1 ως 5 Mpc (όπου 1 Megaparsec = 3.26 x 106 έτη φωτός), η μεγάλης κλίμακας κατανομή γαλαξιών γίνεται ομοιογενής. Εντούτοις πρόσφατα ανακαλύφθηκε από τους αστρονόμους ότι οι γαλαξίες συγκεντρώνονται ανομοιογενώς σε μικρές ομάδες μερικών ή πολλών δεκάδων γαλαξιών. Οι θεωρητικοί ακολούθησαν για ακόμη μια φορά το προηγούμενο μοντέλο: υπέθεσαν ότι οι μικρές συστάδες γαλαξιών θα κατανέμονταν ομοιογενώς σε κλίμακες από 20 έως 30 Mpc.

Καθώς τα τηλεσκόπια και η ανάλυση δεδομένων βελτιώθηκε, μερικοί παρατηρητές άρχισαν να βλέπουν μια ανομοιογενή συγκέντρωση πέρα από το προηγούμενο όριο των 30 Mpc, ίσως μέχρι τα 50 Mpc. Κατά συνέπεια, η συζήτηση για την ομοιογένεια εναντίον της ανομοιογένειας άρχισε να αναθερμαίνεται κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '70. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι υπερασπιστές της κοσμολογικής ομοιογένειας έπειτα πρόβλεψαν ότι η ομοιομορφία μεγάλης κλίμακας θα βρισκόταν τελικά στα 60 έως 100 Mpc. Άλλη μια φορά, εντούτοις, η φύση θα τους απογοήτευε.

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '80 τα παρατηρησιακά στοιχεία για την μη ομοιογένεια σε ακόμα μεγαλύτερες κλίμακες άρχισαν να απαιτούν την αναγνώριση και την εξήγησή τους. Ακόμα πιο εκπληκτική ήταν η παρατήρηση ότι οι γαλαξίες εμφανίζονταν να συγκεντρώνονται σε απέραντα «φύλλα» και «χορδές» περιβαλλόμενες από «κενά» σαν φυσαλίδες, όπου η πυκνότητα των γαλαξιών ήταν πολύ χαμηλή. Με τη βοήθεια ενός νέου τύπου έρευνας διαπιστώθηκε ότι οι γαλαξίες αρχικά στα 65 Mpc, και ύστερα στα 100 ως 200 Mpc, κινούνταν με έναν συντονισμένο τρόπο προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Στο μεταξύ οι παρατηρητές συνέχισαν να χαράζουν μια συνεχή αλυσίδα ακόμα μεγαλύτερων υπερ- ομάδων γαλαξιών (στα 200 Mpc, 300 Mpc, 360 Mpc, 400 Mpc,…). Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90, τα πρότυπα που καθιερώθηκαν στη δεκαετία του '80 συνέχισαν να υφίστανται: η ανομοιογένεια ανακαλύφθηκε σε ακόμα μεγαλύτερες κλίμακες και η υπόθεση της ομοιογένειας συνέχισε τη στρατηγική υποχώρησή της. Η πραγματικότητα των δομών και των κενών στο εύρος μεταξύ των 100 Mpc και 400 Mpc ελέγχθηκε. Η περιοδική συγκέντρωση ύλης σε κλίμακες πέρα των 100 Mpc υποστηρίχτηκε από επακόλουθες παρατηρήσεις.

Καθ' όλη τη διάρκεια αυτής της περιόδου οι απαντήσεις εκείνων που ήταν σταθερά υπέρ των ομοιογενών μοντέλων του σύμπαντος έχουν αρκετό ενδιαφέρον. Έχουν με βεβαιότητα δηλώσει σε βιβλία και σε επιστημονικά κείμενα ότι το σύμπαν πρέπει απλά να είναι ομοιογενές, αν όχι στα 60 Mpc ή στα 400 Mpc τότε σίγουρα σε μεγαλύτερες κλίμακες. Εδώ έχουμε μια κάπως ασυνήθιστη τρέχουσα κατάσταση με δύο ομάδες να περιγράφουν το ίδιο ορατό σύμπαν με δυο πολύ διαφορετικούς τρόπους. Η μια ομάδα θεωρεί σοβαρά ότι βρισκόμαστε στα πρόθυρα μιας σχεδόν πλήρους κατανόησης του σύμπαντος και ότι έχουμε μπει στην εποχή της «κοσμολογίας ακρίβειας.» Η άλλη ομάδα ανησυχεί ότι μερικές από τις βασικές κοσμολογικές υποθέσεις που έχουμε ενστερνιστεί για δεκαετίες ίσως μας παραπλανούν, και ότι η κατανόησή μας για το σύμπαν μπορεί να είναι πραγματικά περιορισμένη και υποτυπώδης.

Ίσως στην πιο γνωστή πραγματεία του πάνω στην εξέλιξη των επιστημονικών θεωριών, The Structure of Scientific Revolutions, ο T.S. Kuhn καταγράφει πώς οι επιστήμονες καταλαμβάνονται σε τόσο μεγάλο βαθμό από το επικρατούν παράδειγμα ώστε ο υγιής σκεπτικισμός σχετικά με τις ελλοχεύουσες υποθέσεις του τείνει να εξαφανιστεί. Αυτό που ξεκινάει ως δημιουργική υπόθεση μεταμορφώνεται σε «κοινή αντίληψη» και αυταπόδειχτη αλήθεια, που αμφισβητείται μόνο από τους «αμύητους» και «ξεροκέφαλους» αντιρρησίες. Συνήθως οι κριτικές υποθέσεις στηρίζονται σε αντιφατικά στοιχεία τα οποία, με όλες τις καλές προθέσεις, διαμορφώνονται με τέτοιον τρόπο ώστε να ανταποκριθούν στις θεωρητικές ανάγκες. Από την άλλη μεριά, τα αντιφατικά στοιχεία συχνά αγνοούνται ή υποβαθμίζονται.

Η συζήτηση πάνω στο μύθο της κοσμολογικής ομοιογένειας μπορεί να είναι ενδεικτική μιας διαδραματιζόμενης, αν και σε αργή κίνηση, επανάστασης στην κοσμολογία. Οι μεγάλες μάχες ανάμεσα στα παλιά και στα νέα παραδείγματα συνήθως δεν έχουν γρήγορη έκβαση, αλλά μοιάζουν περισσότερο με τη σύγκρουση δύο παγετώνων. Θα εκπληρωθεί άραγε το όνειρο των θεωρητικών της ομοιογένειας πριν η έρευνα φτάσει στα έπακρα του ορατού σύμπαντος, ή μήπως η 50ετής τάση ανακάλυψης της ανομοιογένειας σε ολοένα και μεγαλύτερες κλίμακες θα συνεχίσει ακατάβλητη; Ξέρουμε αλήθεια τα πάντα σχεδόν για ένα ομοιογενές σύμπαν, ή ψηλαφούμε ακόμα για μια βασική κατανόηση έναν fractal κόσμο;


No comments:

Post a Comment