Το σχήμα του σύμπαντος θα μπορούσε να είναι πολύ πιο περίπλοκο σε σχέση με αυτό που φανταζόμαστε
Mια ομάδα κοσμολόγων διερευνά την πιθανότητα το σύμπαν μας να έχει σχήμα γιγάντιου τόρου ή ντόνατΠριν από περίπου 2500 χρόνια, η ανθρωπότητα άρχισε να αντιλαμβάνεται ότι ο πλανήτης μας είναι σφαιρικός – κάτι που σήμερα είναι βέβαιο, αν εξαιρέσουμε κάποιους πυροβολημένους υποστηρικτές της «επίπεδης Γης». Ωστόσο, το σχήμα του σύμπαντός μας δεν είναι τόσο ξεκάθαρο. Διάφορες μελέτες έχουν προτείνει ότι το σύμπαν έχει πιθανώς ένα αρκετά απλό σχήμα, όπως το τρισδιάστατο ισοδύναμο μιας σφαιρικής επιφάνειας ή ενός επιπέδου
Η Γη με μια πρώτη ματιά φαίνεται επίπεδη. Αυτό συμβαίνει επειδή η ακτίνα της είναι τόσο μεγάλη που η καμπυλότητα της επιφάνειας δεν γίνεται αντιληπτή. Για να αποδείξεις ότι είναι σφαιρική, θα έπρεπε απλά να αρχίσεις να περπατάς. Αν προχωρήσετε ευθεία χωρίς να στρίψετε ποτέ – διασχίζοντας βουνά και ωκεανούς – αναπόφευκτα σε κάποια στιγμή θα επιστρέφατε στο σημείο που ξεκινήσατε.
Οι κοσμολόγοι συλλέγουν παρόμοια στοιχεία για να προσδιορίσουν το σχήμα του σύμπαντος. Επειδή είναι αδύνατον να στείλουν ένα διαστημόπλοιο για να το διασχίσει, παρατηρούν στον νυχτερινό ουρανό και εξετάζουν τα ίχνη του αρχαιότερου φωτός που φτάνει σε εμάς από τα βάθη του σύμπαντος. Αυτή η ακτινοβολία δημιουργήθηκε περίπου 300.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Μέχρι τότε, η ύλη ήταν τόσο πυκνά συμπιεσμένη στο τότε μικρό σύμπαν, που τα κβάντα φωτός δεν είχαν καμία πιθανότητα να ταξιδέψουν ελεύθερα. Τελικά όμως, το σύμπαν ψύχθηκε σε τέτοιο βαθμό που έγινε διάφανο. Τα φωτόνια ήταν σε θέση να διαχέονται ελεύθερα στο διάστημα – και εξακολουθούν να διαχέονται ακόμα και σήμερα.
Περίπου το ίδιο μοτίβο αυτού του αρχαίου φωτός μας έρχεται από κάθε γωνιά του σύμπαντος. Κι αυτή η ακτινοβολία μας δίνει ενδείξεις για το σχήμα του σύμπαντος. Αν για παράδειγμα, η καμπυλότητα του σύμπαντος μεταβαλλόταν σε κάποια περιοχή, η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου δεν θα ήταν τόσο ομοιογενής όσο την παρατηρούμε. Επομέως, οι φυσικοί υποθέτουν ότι το σύμπαν είτε είναι παντού καμπυλωμένο με τον ίδιο τρόπο – ή είναι εντελώς επίπεδο.
Ένας πλούτος δυνατοτήτων
Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι την καμπυλότητα ή μη του σύμπαντος. Σ’ αυτό μπορεί να βοηθήσει η χρήση αντίστοιχων δισδιάστατων παραδειγμάτων. Έτσι, για να ταιριάζει με τα ομοιογενή μοτίβα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, το σύμπαν μπορεί να είναι στην πραγματικότητα επίπεδο, σαν ένα επίπεδο φύλλο χαρτιού (χωρίς καμπυλότητα), ή να αντιστοιχεί στο τρισδιάστατο αντίστοιχο μιας σφαιρικής επιφάνειας (θετική καμπυλότητα) ή να σχηματίζει ένα είδος τρισδιάστατης επιφάνειας σέλας (αρνητική καμπυλότητα). Και στις τρεις περιπτώσεις, η καμπυλότητα είναι σταθερή παντού.
Αλλά αυτό εξακολουθεί να μην μας αποκαλύπτει πώς μοιάζει το σύμπαν στο σύνολό του. Για παράδειγμα, ο χώρος θα μπορούσε να καμπυλωθεί με τον ίδιο τρόπο παντού και να έχει μια τρύπα. Ο μαθηματικός κλάδος της τοπολογίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατηγοριοποίηση τέτοιων περιπτώσεων. Οι τοπολόγοι ταξινομούν χονδρικά τα γεωμετρικά σχήματα σε κατηγορίες με βάση τoν αριθμό των οπών τους. Οι κοσμολόγοι στοχεύουν να αποδώσουν στο σύμπαν ένα από αυτά τα σχήματα – με τις αντίστοιχες οπές.
Σύμφωνα με τους μαθηματικούς, υπάρχει ένας άπειρος αριθμός διαφορετικών κατηγοριών (τοπολογιών) καμπυλωμένων τρισδιάστατων επιφανειών. Έτσι, αν ο χωροχρόνος έχει πράγματι σχήμα σέλας ή είναι σφαιρικός, τότε υπάρχει θεωρητικά οποιοσδήποτε αριθμός σχημάτων που μπορεί να πάρει το σύμπαν, καθένα από τα οποία είναι πολύ διαφορετικό από το άλλο. Ωστόσο, οι κοσμολογικές παρατηρήσεις μέχρι σήμερα, δείχνουν ένα επίπεδο σύμπαν χωρίς καμπυλότητα. Αν αληθεύει, αυτή η εικόνα περιορίζει την αναζήτηση για την τοπολογία του σύμπαντος: όπως συμπέρανε ο μαθηματικός Grigori Perelman το 2003 , ο κατάλογος των επίπεδων τρισδιάστατων επιφανειών είναι πολύ μικρός, με μόνο 18 διαφορετικές κατηγορίες.
Ένα από τα 18 σχήματα
Επομένως, το σχήμα του σύμπαντος πιθανώς αντιστοιχεί σε ένα από αυτά τα 18 σχήματα. Το ένα είναι το τρισδιάστατο ανάλογο ενός φύλλου χαρτιού. ‘Ομως, το σύμπαν μας θα μπορούσε επίσης να έχει τρύπες. Μεταξύ των 18 τοπολογιών, το τρισδιάστατο ισοδύναμο μιας επιφάνειας ντόνατ είναι ο λεγόμενος τόρος.
Αν και ένα ντόνατ φαίνεται εκ πρώτης όψεως καμπυλωμένο, αποδεικνύεται ότι αυτό το σχήμα είναι στην πραγματικότητα επίπεδο. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα σχήμα ντόνατ μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας ένα (πολύ εύκαμπτο) φύλλο χαρτιού. Για να το κάνετε αυτό, κολλάτε πρώτα τις απέναντι μακριές πλευρές του φύλλου μεταξύ τους, δημιουργώντας έναν επιμήκη σωλήνα. Στη συνέχεια λυγίζετε το σωλήνα και φέρνετε τα δύο ανοίγματα μαζί:
Τα διαδοχικά βήματα με τα οποία μια επίπεδη ορθογώνια περιοχή μετατρέπεται σε τόρο
Αυτή η κατασκευή έχει πολλά πλεονεκτήματα. Για παράδειγμα, αν θέλετε να περιγράψετε την κίνηση ενός μυρμηγκιού σε ένα ντόνατ, είναι συνήθως πιο εύκολο να φανταστείτε το ορθογώνιο φύλλο χαρτιού. Το έντομο περπατά πάνω στο χαρτί και μόλις περάσει μια άκρη, ξαναμπαίνει στην αντίθετη πλευρά του φύλλου. Αν το μυρμήγκι κινηθεί σε ευθεία γραμμή, αναπόφευκτα θα καταλήξει κάποια στιγμή στην αρχική του θέση.
Μπορείτε να δημιουργήσετε έναν τρισδιάστατο τόρο με τον ίδιο τρόπο χρησιμοποιώντας ένα τρισδιάστατο κυβοειδές αντί για ένα ορθογώνιο φύλλο χαρτιού. Σε αυτή την περίπτωση, το παραμορφώνετε πάλι, έτσι ώστε οι αντίθετες πλευρές του κυβοειδούς να είναι κολλημένες μεταξύ τους.
Ένα σύμπαν ντόνατ με βρόχους
Αν το σύμπαν μας είχε σχήμα τόρου (ντόνατ), αυτό θα είχε απτές συνέπειες. Για παράδειγμα αν στέλναμε μια ακτίνα φωτός στον ουρανό, σε κάποια στιγμή (θεωρητικά), αυτό το φως θα έφτανε ξανά σε εμάς – όπως ακριβώς το μυρμήγκι στο φύλλο χαρτιού επιστρέφει πάντα στην αφετηρία του. Τέτοιοι βρόχοι υπάρχουν στις περισσότερες από τις 18 διαφορετικές τοπολογίες. Πρόκειται για τροχιές που επιστρέφουν στην αφετηρία τους. Όμως, εκ πρώτης όψεως, οι βρόχοι δεν φαίνεται να ανταποκρίνονται στις παρατηρήσεις μας. Θα έπρεπε να βλέπουμε πολλά αντίγραφα του σύμπαντος στον νυχτερινό ουρανό. Αυτό το γεγονός δεν αποκλείει όλες τις τοπολογίες με βρόχους. Θα μπορούσαμε να ζούμε σε ένα σύμπαν τόσο μεγάλο που το φως δεν έχει προλάβει ακόμη να το διασχίσει και να επιστρέψει. Ίσως σε αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια, οι άνθρωποι (ή άλλα όντα) θα έχουν τη χαρά να δουν έναν νυχτερινό ουρανό που θα περιέχει πολλές εικόνες του σύμπαντος.
Αλλά ακόμη και τόσο τεράστιοι βρόχοι θα άφηναν ίχνη σήμερα. Για παράδειγμα, το σχήμα του σύμπαντος θα είχε επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο η ύλη και το φως αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους στο πρώιμο σύμπαν. Αν το σύμπαν είχε τρύπες – και επομένως και βρόχους – αυτό το γεγονός θα έπρεπε να αντικατοπτρίζεται στα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Ωστόσο, σε αναζητήσεις από τη δεκαετία του 2000 και του 2010, οι φυσικοί δεν βρήκαν τίποτα. Και οι περισσότεροι κοσμολόγοι υπέθεσαν ότι το σύμπαν έχει μια αρκετά απλή δομή. Η έρευνα για το σχήμα του σύμπαντος σταμάτησε – τουλάχιστον μέχρι την εμφάνιση του COMPACT το 2022.
Πολύ περισσοτερες δυνατότητες από το αναμενόμενο
Η ερευνητική ομάδα COMPACT συνέκρινε τα τελευταία δεδομένα για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου με διάφορες τοπολογίες του σύμπαντος και κατέληξε σε εκπληκτικά αποτελέσματα στην πρώτη της δημοσίευση. Μεταξύ άλλων, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι παλαιότερα είχαν αγνοηθεί πολλές παραλλαγές των επιμέρους τοπολογιών. Με άλλα λόγια, οι ερευνητές μπορεί να είχαν χάσει στο παρελθόν άλλες μορφές που θα μπορούσαν να περιγράψουν τον κόσμο μας. Η COMPACT μπόρεσε επίσης να δείξει ότι τα στοιχεία που λείπουν για βρόχους στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι πολύ λιγότερο περιοριστικά από ό,τι υποτίθετο στο παρελθόν. Εκτός από τους βρόχους, θα μπορούσαν να υπάρχουν και άλλα ίχνη στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου που παραπέμπουν σε περίπλοκες τοπολογίες. Μελλοντική εργασία θα διερευνήσει ποιά ακριβώς θα μπορούσαν να είναι αυτά τα σχήματα.
Οι ερευνητές υποστήριξαν τα επιχειρήματά τους χρησιμοποιώντας τρία συγκεκριμένα παραδείγματα τοπολογιών επίπεδου χώρου: έναν συνηθισμένο τόρο και δύο παραλλαγές του όπου οι όψεις του κυβοειδούς στρίφτηκαν πριν κολληθούν μεταξύ τους. Και τα τρία έχουν τρύπες. Για τον συνηθισμένο τόρο, το COMPACT επιβεβαίωσε παλαιότερα συμπεράσματα: αν το σύμπαν μας έχει σχήμα ντόνατ, οι βρόχοι πρέπει να είναι τόσο μεγάλοι ώστε το φως να μην έχει ακόμη προλάβει να φτάσει σε μας. Αλλά η έκπληξη ήταν ότι αυτή η ίδια ιδέα μπορεί να μην ισχύει για τα τροποποιημένα σχήματα. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι οι βρόχοι αυτών των σχημάτων θα μπορούσαν επίσης να είναι σημαντικά μικρότεροι. Λόγω των πολλών συστροφών, το σύμπαν θα μπορούσε να περιέχει αντίγραφα του εαυτού του που μπορεί να φαίνονται διαφορετικά από το πρωτότυπο, και γιαυτό λιγότερο εύκολο να εντοπιστούν στους χάρτες του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου.
Τελικά, τα ευρήματα της ομάδας COMPACT δείχνουν ότι το σύμπαν θα μπορούσε να φαίνεται πολύ πιο περίπλοκο από ό,τι πιστεύαμε μέχρι σήμερα. Κι αυτό θα είχε μεγάλες συνέπειες. Το σχήμα του κόσμου μας δεν είναι απλά ένα ακαδημαϊκό ζήτημα. Η τοπολογία του χωροχρόνου προφανώς καθορίστηκε από τις κβαντικές διεργασίες που πραγματοποιήθηκαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αν γνωρίζαμε περισσότερα για το σχήμα του σύμπαντος, θα μπορούσαμε – ενδεχομένως – να μάθουμε περισσότερα για τις περίπλοκες διαδικασίες που έλαβαν χώρα στο ξεκίνημά του.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: «How Many Holes Does the Universe Have?» by Manon Bischoff edited by Daisy Yuhas
https://physicsgg.me/
tinanantsou.blogspot.gr
