InScience Magazine

Tag: Astronomy

  • Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ CHANDRASEKHAR ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΟΥ 20ου ΑΙΩΝΑ

    Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ CHANDRASEKHAR ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΟΥ 20ου ΑΙΩΝΑ

    Freeman Dyson

    Μετάφραση: Βαρβάρα Πετανίδου

    Από τη στιγμή που η κοινότητα της αστροφυσικής είχε έρθει αντιμέτωπη με έναν υπολογισμό που έκανε ένας δεκαεννιάχρονος φοιτητής κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών του σπουδών, οι ουρανοί δεν θα μπορούσαν ποτέ ξανά να θεωρηθούν ως μια τέλεια και ήρεμη κτήση.Το 1946 ο Subrahmanyan Chandrasekhar έδωσε μια ομιλία στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο με τίτλο «Ο επιστήμονας»1. Ήταν 35 ετών, λιγότερο από τα μισά της ζωής του και λιγότερο από το ένα τρίτο της καριέρας του ως επιστήμονας, αλλά ήδη προβληματιζόταν βαθιά για το νόημα και τον σκοπό του έργου του. Η ομιλία του ήταν μία από τη σειρά δημόσιων διαλέξεων που διοργάνωσε ο Robert Hutchins, τότε πρύτανης του πανεπιστημίου. Ο κατάλογος των ομιλητών είναι εντυπωσιακός και περιελάμβανε τους Frank Lloyd Wright, Arnold Schoenberg και Marc Chagall. Αυτή η λίστα αποδεικνύει δύο πράγματα. Δείχνει ότι ο Hutchins ήταν ένας διοργανωτής εκδηλώσεων με αξιοσημείωτες δυνάμεις πειθούς, και ότι αναγνώριζε ήδη τον Chandra ως έναν καλλιτέχνη παγκόσμιας κλάσης, του οποίου  το μέσο τυχαίνει να είναι οι θεωρίες του σύμπαντος και όχι η μουσική ή η ζωγραφική. Λέω «Chandra» επειδή αυτό είναι το όνομα με το οποίο τον αποκαλούσαν οι φίλοι του όσο ζούσε.

    ΒΑΣΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ

    Ο Chandra ξεκίνησε την ομιλία του με την περιγραφή δύο ειδών επιστημονικής έρευνας. «Θέλω να επιστήσω την προσοχή σας σε μια ευρεία διαίρεση των φυσικών επιστημών που πρέπει να έχετε κατά νου, τη διαίρεση σε βασική επιστήμη και παράγωγη επιστήμη. Η βασική επιστήμη επιδιώκει να αναλύσει την τελική σύσταση της ύλης και τις βασικές έννοιες του χώρου και του χρόνου. Η παράγωγη επιστήμη, από την άλλη πλευρά, ασχολείται με την ορθολογική ταξινόμηση των πολυποίκιλων πτυχών των φυσικών φαινομένων με βάση τις βασικές έννοιες».

    Ως παραδείγματα βασικής επιστήμης, ο Chandra ανέφερε την ανακάλυψη του ατομικού πυρήνα από τον Ernest Rutherford και την ανακάλυψη του νετρονίου από τον James Chadwick. Κάθε μία από αυτές τις ανακαλύψεις έγινε με ένα απλό πείραμα που αποκάλυψε την ύπαρξη ενός βασικού δομικού στοιχείου του σύμπαντος. Ο Rutherford ανακάλυψε τον πυρήνα εκτοξεύοντας σωματίδια άλφα σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού και παρατηρώντας ότι ορισμένα από τα σωματίδια αναπήδησαν πίσω. Ο Chadwick ανακάλυψε το νετρόνιο εκτοξεύοντας σωματίδια άλφα προς ένα στόχο βηρυλλίου παρατηρώντας ότι η προέκυπτε μια ουδέτερη ηλεκτρικά ακτινοβολία η οποία συγκρουόταν με τους πυρήνες του βηρυλλίου με τον τρόπο που αναμενόταν για ένα τεράστιο ουδέτερο σωματίδιο δίδυμο του πρωτονίου. Ως παράδειγμα παράγωγης επιστήμης, ο Chandra ανέφερε την ανακάλυψη του Edmond Halley, το 1705, ότι ο κομήτης που σήμερα φέρει το όνομά του εμφανιζόταν περιοδικά στον ουρανό τουλάχιστον τέσσερις φορές στην καταγεγραμμένη ιστορία και ότι η ελλειπτική τροχιά του περιγράφεται από τον νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα. Σημείωσε επίσης την ανακάλυψη του William Herschel το 1803 ότι οι τροχιές των διπλών αστρικών συστημάτων καθορίζονται από τον ίδιο νόμο της βαρύτητας που ισχύει και πέρα από το ηλιακό μας σύστημα. Οι παρατηρήσεις του Halley και του Herschel δεν αποκάλυψαν νέα δομικά στοιχεία, αλλά διεύρυναν σημαντικά το φάσμα των φαινομένων που η βασική επιστήμη του Νεύτωνα μπορούσε να εξηγήσει.Το SS Pilsna, μέλος του στόλου της εταιρείας Lloyd Triestino, ταξίδεψε από την Ινδία στην Ευρώπη στις αρχές του 20ού αιώνα. Το 1930 ο Subrahmanyan Chandrasekhar ταξίδεψε με το πλοίο για να σπουδάσει με τον Ralph Fowler στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Καθ’ οδόν, βελτίωσε έναν προηγούμενο υπολογισμό του Fowler- το λεγόμενο όριο Chandrasekhar που συνεπάγεται ότι ο νέος υπολογισμός θα είχε βαθιές συνέπειες.(© Penelope Fowler. Ευγενική παραχώρηση της Ιστορικής Φωτογραφίας της Κίνας, Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ).Ο Chandra περιέγραψε επίσης τα συγκεκριμένα παραδείγματα βασικής και παράγωγης επιστήμης που έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη δική του πνευματική ανάπτυξη. Το 1926, όταν ο Chandra ήταν 15 ετών, αλλά ήδη φοιτητής φυσικής στο Presidency College στο Madras (σημερινό Chennai) της Ινδίας, ο Enrico Fermi και ο Paul Dirac ανακάλυψαν ανεξάρτητα τις βασικές έννοιες της στατιστικής Fermi-Dirac: εάν ένα σύνολο ηλεκτρονίων είναι κατανεμημένο σε έναν αριθμό κβαντικών καταστάσεων, κάθε κβαντική κατάσταση μπορεί να καταληφθεί το πολύ από ένα ηλεκτρόνιο και η πιθανότητα να καταληφθεί μια κατάσταση είναι απλή συνάρτηση της θερμοκρασίας. Αυτές οι βασικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων αποτέλεσαν τον ακρογωνιαίο λίθο της νεογέννητης επιστήμης της κβαντομηχανικής. Άνοιξαν το δρόμο για τη λύση ενός από τα διάσημα άλυτα προβλήματα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, εξηγώντας γιατί οι ειδικές θερμότητες των στερεών υλικών μειώνονται με τη θερμοκρασία και μηδενίζονται γρήγορα καθώς η θερμοκρασία μηδενίζεται.Ο Ralph Fowler, εδώ σε μια φωτογραφία του 1931, έγραψε την πρωτοποριακή εργασία που εξηγούσε τις ιδιότητες των άστρων λευκών νάνων και ενέπνευσε τον επαναστατικό υπολογισμό του Subrahmanyan Chandrasekhar. Ο Fowler και άλλοι σημαντικοί  Άγγλοι αστροφυσικοί δεν αποδέχθηκαν την εγκυρότητα της νέας εργασίας. (Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του οπτικού αρχείου Emilio Segrè του AIP, V. Ya. Frenkel).Δύο χρόνια μετά τη συνάντησή του με τον Sommerfeld, στην ώριμη ηλικία των 19 ετών, ο Chandra ταξίδεψε με το ατμόπλοιο Pilsna για να εγγραφεί ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Εκεί επρόκειτο να συνεργαστεί με τον Ralph Fowler, ο οποίος είχε χρησιμοποιήσει τη στατιστική Fermi-Dirac για να εξηγήσει τις ιδιότητες των λευκών νάνων – άστρων που έχουν εξαντλήσει τα αποθέματα πυρηνικής ενέργειας καίγοντας υδρογόνο για να δημιουργήσουν ήλιο ή άνθρακα και οξυγόνο. Οι λευκοί νάνοι καταρρέουν βαρυτικά σε μια πυκνότητα πολλές χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την κανονική ύλη και στη συνέχεια ψύχονται αργά εκπέμποντας την εναπομένουσα θερμότητα. Ο θρίαμβος της παράγωγης επιστήμης του Fowler περιελάμβανε τον υπολογισμό της σχέσης μεταξύ της πυκνότητας και της μάζας ενός λευκού νάνου, και το αποτέλεσμά του συμφωνούσε καλά με τις λιγοστές παρατηρήσεις που ήταν διαθέσιμες εκείνη την εποχή. Με τα παραδείγματα του Sommerfeld και του Fowler να τον ενθαρρύνουν, ο Chandra έπλεε προς την Αγγλία με την πρόθεση να κάνει τη δική του συμβολή στην παράγωγη επιστήμη.

    ΑΛΛΑΓΗ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ

    Στο Pilsna, ο Chandra βρήκε γρήγορα έναν τρόπο να προχωρήσει μπροστά. Οι υπολογισμοί των Sommerfeld και Fowler είχαν υποθέσει ότι τα ηλεκτρόνια ήταν μη σχετικιστικά σωματίδια που υπάκουαν στους νόμους της Νευτώνειας μηχανικής. Αυτή η υπόθεση ίσχυε σίγουρα για τον Sommerfeld. Τα ηλεκτρόνια στα μέταλλα σε κανονικές πυκνότητες έχουν ταχύτητες πολύ μικρές σε σύγκριση με την ταχύτητα του φωτός. Αλλά για τον Fowler, η υπόθεση της Νευτώνειας μηχανικής δεν ήταν τόσο ασφαλής. Τα ηλεκτρόνια στις κεντρικές περιοχές των άστρων, λευκών νάνων, μπορεί να κινούνται αρκετά γρήγορα ώστε να καθιστούν σημαντικά τα σχετικιστικά φαινόμενα. Έτσι, ο Chandra πέρασε τον ελεύθερο χρόνο του στο σκάφος επαναλαμβάνοντας τον υπολογισμό του Fowler για τη συμπεριφορά ενός λευκού νάνου, αλλά με τα ηλεκτρόνια να υπακούουν στους νόμους της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν αντί των νόμων του Νεύτωνα. Ο Fowler είχε υπολογίσει ότι για δεδομένη χημική σύνθεση, η πυκνότητα ενός λευκού νάνου θα ήταν ανάλογη του τετραγώνου της μάζας του. Αυτό ήταν λογικό από διαισθητική άποψη. Όσο μεγαλύτερη μάζα έχει το άστρο, τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη της βαρύτητας και τόσο πιο ισχυρά θα συμπιέζεται το άστρο. Τα αστέρια με μεγαλύτερη μάζα θα ήταν μικρότερα και πιο αμυδρά, γεγονός που εξηγούσε γιατί δεν είχαν παρατηρηθεί λευκοί νάνοι πολύ μεγαλύτερης μάζας από τον Ήλιο.

    Προς μεγάλη του έκπληξη, ο Chandra διαπίστωσε ότι η αλλαγή από τον Νεύτωνα στον Αϊνστάιν έχει σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά των λευκών νάνων. Κάνει την ύλη στα αστέρια πιο συμπιεστή, έτσι ώστε η πυκνότητα να γίνεται μεγαλύτερη για ένα αστέρι δεδομένης μάζας. Η πυκνότητα δεν αυξάνεται ταχύτερα καθώς αυξάνεται η μάζα, αλλά τείνει στο άπειρο καθώς η μάζα φτάνει σε μια πεπερασμένη τιμή, το όριο Chandrasekhar. Εφόσον η μάζα του είναι κάτω από το όριο, οι φυσικοί μπορούν να μοντελοποιήσουν έναν λευκό νάνο με σχετικιστικά ηλεκτρόνια και να λάβουν μια μοναδική σχέση μάζας-πυκνότητας. Δεν υπάρχουν μοντέλα για λευκούς νάνους με μάζα μεγαλύτερη από το όριο Chandrasekhar. Η οριακή μάζα εξαρτάται από τη χημική σύνθεση του αστέρα. Για αστέρια που έχουν κάψει όλο το υδρογόνο τους, είναι περίπου 1,5 φορά η μάζα του Ήλιου.

    Ο Chandra ολοκλήρωσε τον υπολογισμό του πριν φτάσει στην Αγγλία και δεν είχε ποτέ καμία αμφιβολία ότι το συμπέρασμά του ήταν σωστό. Όταν έφτασε στο Κέιμπριτζ και έδειξε τα αποτελέσματά του στον Fowler, αυτός ήταν φιλικός αλλά δεν πείστηκε και δεν θέλησε να υποστηρίξει την εργασία του Chandra για δημοσίευση από τη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου. Ο Chandra δεν περίμενε την έγκριση του Fowler, αλλά έστειλε μια σύντομη εκδοχή της εργασίας στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal στις ΗΠΑ2.  Το περιοδικό την έστειλε για κρίση στον Carl Eckart, έναν διάσημο γεωφυσικό που δεν γνώριζε πολλά για την αστρονομία. Ο Eckart συνέστησε να γίνει δεκτή και δημοσιεύθηκε ένα χρόνο αργότερα. Ο Chandra είχε ψυχραιμία. Δεν επιθυμούσε να εμπλακεί σε δημόσιο πόλεμο με τους Βρετανούς ακαδημαϊκούς, οι οποίοι απέτυχαν να κατανοήσουν τα επιχειρήματά του. Δημοσίευσε το έργο του σιωπηλά σε ένα έγκριτο αστρονομικό περιοδικό και στη συνέχεια περίμενε υπομονετικά να αναγνωρίσει η επόμενη γενιά αστρονόμων τη σημασία του. Εν τω μεταξύ, θα παρέμενε σε φιλικές σχέσεις με τον Fowler και το υπόλοιπο βρετανικό ακαδημαϊκό κατεστημένο και θα έβρισκε άλλα προβλήματα παράγωγης επιστήμης, όπου η γνώση των μαθηματικών και της φυσικής θα του επέτρεπε να επιλύσει.

    Η ΠΑΡΑΚΜΗ ΚΑΙ Η ΠΤΩΣΗ ΤΟΥ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ

    Οι αστρονόμοι είχαν καλό λόγο το 1930 να αντιδράσουν με σκεπτικισμό στα αποτελέσματα του Chandra. Οι συνέπειες της ανακάλυψης μιας οριακής μάζας ήταν εντελώς αινιγματικές. Σε όλο τον ουρανό, βλέπουμε μια αφθονία αστέρων που λάμπουν χαρούμενα με μάζες μεγαλύτερες από το όριο αυτό. Ο υπολογισμός του Chandra λέει ότι όταν αυτά τα άστρα κάψουν τα πυρηνικά τους καύσιμα, δεν θα υπάρχουν καταστάσεις ισορροπίας στις οποίες θα μπορούν να ψυχθούν. Τι μπορεί, λοιπόν, να κάνει ένα αστέρι μεγάλης μάζας όταν του τελειώσουν τα καύσιμα; Ο Chandra δεν είχε απάντηση σε αυτό το ερώτημα, ούτε και κανείς άλλος όταν το έθεσε το 1930.

    Η απάντηση ανακαλύφθηκε το 1939 από τον J. Robert Oppenheimer και τον μαθητή του Hartland Snyder. Δημοσίευσαν τη λύση τους σε μια εργασία με τίτλο On Continued Gravitational Contraction3.  Κατά τη γνώμη μου, ήταν η σημαντικότερη συμβολή του Oppenheimer στην επιστήμη. Όπως και η συνεισφορά του Chandra εννέα χρόνια νωρίτερα, ήταν ένα αριστούργημα της παράγωγης επιστήμης, που πήρε μερικές από τις βασικές εξισώσεις του Αϊνστάιν και έδειξε ότι οδηγούν σε εκπληκτικές και απροσδόκητες συνέπειες στον πραγματικό κόσμο της αστρονομίας. Η διαφορά μεταξύ του Chandra και του Oppenheimer ήταν ότι ο Chandra ξεκίνησε με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του 1905, ενώ ο Oppenheimer με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν του 1915. Το 1939 ο Oppenheimer ήταν ένας από τους λίγους φυσικούς που έπαιρναν στα σοβαρά τη γενική σχετικότητα. Εκείνη την εποχή ήταν ένα θέμα που δεν ήταν της μόδας και ενδιέφερε κυρίως τους φιλοσόφους και τους μαθηματικούς. Ο Oppenheimer ήξερε πώς να τη χρησιμοποιήσει ως εργαλείο εργασίας, για να απαντήσει σε ερωτήματα σχετικά με πραγματικά αντικείμενα στον ουρανό.

    Οι Oppenheimer και Snyder αποδέχθηκαν το συμπέρασμα του Chandra ότι δεν υπάρχει κατάσταση στατικής ισορροπίας για ένα ψυχρό αστέρι με μάζα μεγαλύτερη από το όριο Chandrasekhar. Επομένως, η τύχη ενός αστέρα μεγάλης μάζας στο τέλος της ζωής του πρέπει να είναι δυναμική. Επεξεργάστηκαν τη λύση των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας για ένα ογκώδες άστρο που καταρρέει κάτω από το ίδιο του το βάρος και ανακάλυψαν ότι το άστρο βρίσκεται σε κατάσταση μόνιμης ελεύθερης πτώσης – δηλαδή, το άστρο συνεχίζει για πάντα να πέφτει προς τα μέσα, προς το κέντρο του. Η γενική σχετικότητα επιτρέπει αυτή την παράδοξη συμπεριφορά επειδή ο χρόνος που μετράει ένας παρατηρητής έξω από το αστέρι τρέχει ταχύτερα από τον χρόνο που μετράει ένας παρατηρητής μέσα στο αστέρι. Ο χρόνος που μετριέται στο εξωτερικό εκτείνεται από το τώρα μέχρι το τέλος του σύμπαντος, ενώ ο χρόνος που μετριέται στο εσωτερικό εκτείνεται μόνο για λίγες ημέρες. Κατά τη διάρκεια της βαρυτικής κατάρρευσης, ο εσωτερικός παρατηρητής βλέπει το άστρο να πέφτει ελεύθερα με μεγάλη ταχύτητα, ενώ ο εξωτερικός παρατηρητής το βλέπει να επιβραδύνεται γρήγορα. Η κατάσταση της μόνιμης ελεύθερης πτώσης είναι, απ’ όσο γνωρίζουμε, η πραγματική κατάσταση κάθε ογκώδους αντικειμένου που έχει ξεμείνει από καύσιμα. Γνωρίζουμε ότι τέτοια αντικείμενα υπάρχουν σε αφθονία στο σύμπαν. Τα ονομάζουμε μαύρες τρύπες.Η ανακάλυψη από τον Subrahmanyan Chandrasekhar μιας οριακής μάζας για έναν ιδανικό λευκό νάνο εμφανίστηκε σε μια δισέλιδη εργασία 7 που δημοσιεύτηκε το 1931. Η οριακή τιμή των 0,9 ηλιακών μαζών είναι διαφορετική από τη σύγχρονη τιμή, η οποία είναι 1,5 ηλιακές μάζες. Η διαφορά προκύπτει από τη χρήση από τον Chandra μιας παρωχημένης εκτίμησης της χημικής σύνθεσης του αστέρα.Μετά από αρκετές δεκαετίες, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η ανακάλυψη της οριακής μάζας από τον Chandra και η ανακάλυψη της μόνιμης ελεύθερης πτώσης από τους Oppenheimer-Snyder αποτέλεσαν σημαντικά σημεία καμπής στην ιστορία της επιστήμης. Οι ανακαλύψεις αυτές σηματοδότησαν το τέλος της αριστοτελικής θεώρησης που κυριαρχούσε στην αστρονομία επί 2000 χρόνια: οι ουρανοί ως το βασίλειο της ειρήνης και της τελειότητας, σε αντίθεση με τη Γη το βασίλειο της διαμάχης και της αλλαγής.

    Οι Chandra και Oppenheimer απέδειξαν ότι ο Αριστοτέλης έκανε λάθος. Σε ένα σύμπαν όπου κυριαρχεί η βαρύτητα, δεν είναι δυνατή η ειρηνική ισορροπία. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1930, μεταξύ των θεωρητικών ιδεών των Chandra και Oppenheimer, οι συστηματικές παρατηρήσεις του Fritz Zwicky για τις εκρήξεις σουπερνόβα επιβεβαίωσαν ότι ζούμε σε ένα βίαιο σύμπαν4.  Την ίδια δεκαετία, ο Zwicky ανακάλυψε τη σκοτεινή ύλη της οποίας η βαρύτητα κυριαρχεί στη δυναμική των δομών μεγάλης κλίμακας. Μετά το 1939, οι αστρονόμοι εγκατέλειψαν αργά και απρόθυμα το αριστοτελικό σύμπαν, καθώς συσσωρεύονταν όλο και περισσότερα στοιχεία για βίαια γεγονότα στους ουρανούς. Τα ραδιοτηλεσκόπια και τα τηλεσκόπια ακτίνων-Χ αποκάλυψαν ένα σύμπαν γεμάτο κρουστικά κύματα και υψηλής θερμοκρασίας πλάσμα, με άκρως βίαιες εκρήξεις που συνδέονταν με τον ένα ή τον άλλο τρόπο με τις μαύρες τρύπες.

    Κάθε παιδί που μαθαίνει επιστήμη στο σχολείο και κάθε θεατής που παρακολουθεί δημοφιλή επιστημονικά ντοκιμαντέρ στην τηλεόραση γνωρίζει πλέον ότι ζούμε σε ένα βίαιο σύμπαν. Το «βίαιο σύμπαν» έχει γίνει μέρος της επικρατούσας κουλτούρας. Γνωρίζουμε ότι ένας αστεροειδής συγκρούστηκε με τη Γη πριν από 65 εκατομμύρια χρόνια και προκάλεσε την εξαφάνιση των δεινοσαύρων. Γνωρίζουμε ότι κάθε βαρύ άτομο αργύρου ή χρυσού «μαγειρεύτηκε» στον πυρήνα ενός τεράστιου άστρου πριν εκτοξευθεί στο διάστημα από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς. Γνωρίζουμε ότι η ζωή επιβίωσε στον πλανήτη μας για δισεκατομμύρια χρόνια, επειδή ζούμε σε μια ήσυχη γωνιά ενός ήσυχου γαλαξία, μακριά από την εκρηκτική βία που βλέπουμε γύρω από εμάς σε πιο ταραγμένα μέρη του σύμπαντος. Η αστρονομία έχει αλλάξει εντελώς τον χαρακτήρα της τα τελευταία 100 χρόνια. Πριν από έναν αιώνα το κύριο θέμα της αστρονομίας ήταν η εξερεύνηση ενός ήσυχου και αμετάβλητου τοπίου. Σήμερα το κύριο θέμα της είναι να παρατηρεί και να εξηγεί τα ουράνια πυροτεχνήματα που είναι η απόδειξη βίαιων αλλαγών. Αυτός ο ριζικός μετασχηματισμός στην εικόνα που έχουμε για το σύμπαν άρχισε στο καλό πλοίο Pilsna όταν ο δεκαεννιάχρονος Chandra ανακάλυψε ότι δεν μπορεί να υπάρχει σταθερή κατάσταση ισορροπίας για ένα άστρο μεγάλης μάζας.

    ΝΕΕΣ ΙΔΕΕΣ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΕΣ ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΛΙΑ ΤΑΞΗ ΠΡΑΓΜΑΤΩΝ

    Πάντα μου φαινόταν παράξενο το γεγονός ότι το έργο των τριών κύριων πρωτοπόρων του βίαιου σύμπαντος – του Chandra, του Oppenheimer και του Zwicky – έτυχε τόσο λίγης αναγνώρισης και καταξίωσης την εποχή που έγινε. Οι ανακαλύψεις αυτές αγνοήθηκαν, εν μέρει, επειδή και οι τρεις πρωτοπόροι προέρχονταν από άτομα εκτός του αστρονομικού επαγγέλματος. Οι επαγγελματίες αστρονόμοι της δεκαετίας του 1930 ήταν συντηρητικοί στην άποψή τους για το σύμπαν και στην κοινωνική τους οργάνωση. Έβλεπαν το σύμπαν ως μια ειρηνική περιοχή που ήξεραν πώς να εξερευνήσουν με τα συνήθη εργαλεία του επαγγέλματός τους. Δεν είχαν την τάση να παίρνουν στα σοβαρά τις αξιώσεις των παρείσακτων με νέες ιδέες και νέα εργαλεία. Ήταν εύκολο για τους αστρονόμους να αγνοήσουν τους διαφορετικούς, επειδή οι νέες ανακαλύψεις δεν ταίριαζαν με τους αποδεκτούς τρόπους σκέψης και οι ανακαλύψεις δεν ταίριαζαν με την καθιερωμένη αστρονομική κοινότητα.

    Εκτός από αυτές τις γενικές εκτιμήσεις, οι οποίες ίσχυαν και για τους τρεις επιστήμονες, μεμονωμένες περιστάσεις συνέβαλαν στην αγνόηση του έργου τους. Για τον Chandra, οι ιδιαίτερες περιστάσεις ήταν οι προσωπικότητες των Arthur Eddington και Edward Arthur Milne, οι οποίοι ήταν οι κορυφαίοι αστρονόμοι στην Αγγλία όταν ο Chandra έφθασε από την Ινδία. Ο Eddington και ο Milne είχαν τις δικές τους θεωρίες για την αστρική δομή στις οποίες πίστευαν ακράδαντα- και οι δύο αυτές θεωρίες ήταν ασυμβίβαστες με τον υπολογισμό του Chandra για την οριακή μάζα. Οι δύο αστρονόμοι αποφάσισαν αμέσως ότι ο υπολογισμός του Chandra ήταν λανθασμένος και δεν αποδέχθηκαν ποτέ τα φυσικά γεγονότα στα οποία βασιζόταν.

    Ο Zwicky αντιμετώπισε μια ακόμη χειρότερη κατάσταση στο Caltech, όπου στο τμήμα αστρονομίας κυριαρχούσαν ο Edwin Hubble και ο Walter Baade. Ο Zwicky ανήκε στο τμήμα φυσικής και δεν είχε επίσημα διαπιστευτήρια ως αστρονόμος. Ο Hubble και ο Baade πίστευαν ότι ο Zwicky ήταν τρελός και αυτός πίστευε ότι αυτοί ήταν ηλίθιοι. Και οι δύο πεποιθήσεις είχαν κάποια βάση στην πραγματικότητα. Ο Zwicky είχε νικήσει τους αστρονόμους στο δικό τους παιχνίδι παρατήρησης του ουρανού, χρησιμοποιώντας μια κάμερα ευρέως πεδίου που μπορούσε να καλύψει τον ουρανό 100 φορές ταχύτερα από ό,τι μπορούσαν να καλύψουν άλλες κάμερες τηλεσκοπίων που υπήρχαν εκείνη την εποχή. Στη συνέχεια ο Zwicky έκανε εχθρό του Baade κατηγορώντας τον ότι ήταν ναζιστής. Ως αποτέλεσμα αυτού και άλλων περιστατικών, οι ανακαλύψεις του Zwicky αγνοήθηκαν σε μεγάλο βαθμό για τα επόμενα 20 χρόνια.Το παρατηρητήριο ακτίνων-Χ Chandra είναι ένα από τα πολλά τηλεσκόπια που παρακολουθούν το βίαιο σύμπαν. Το Chandra φαίνεται εδώ φορτωμένο στο διαστημικό λεωφορείο Columbia λίγες ημέρες πριν από την εκτόξευσή του στις 23 Ιουλίου 1999. (Ευγενική προσφορά της NASA.)Η αγνόηση της μεγαλύτερης συμβολής του Oppenheimer στην επιστήμη οφείλεται κυρίως σε ένα ατύχημα της ιστορίας. Η εργασία του μαζί με τον Snyder, η οποία καθόριζε σε τέσσερις σελίδες τη φυσική πραγματικότητα των μελανών οπών, δημοσιεύθηκε στο Physical Review την 1η Σεπτεμβρίου 1939, την ίδια ημέρα που ο Αδόλφος Χίτλερ έστειλε τις στρατιές του στην Πολωνία και ξεκίνησε τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Εκτός από τον αντιπερισπασμό που δημιούργησε ο Χίτλερ, το ίδιο τεύχος του Physical Review περιείχε τη μνημειώδη εργασία των Niels Bohr και John Wheeler για τη θεωρία της πυρηνικής σχάσης – μια εργασία που περιέγραφε, για όσους μπορούσαν να διαβάσουν ανάμεσα στις γραμμές, τις δυνατότητες της πυρηνικής ενέργειας και των πυρηνικών όπλων5.  Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η κατανόηση των μελανών οπών παραμερίστηκε από τον πιο επείγοντα ενθουσιασμό που έφερε ο πόλεμος και η πυρηνική ενέργεια.

    Καθένας από τους τρεις πρωτοπόρους, μετά από μια σύντομη περίοδο επαναστατικής ανακάλυψης και μια σύντομη δημοσίευση, έχασε το ενδιαφέρον του να αγωνιστεί για την επανάσταση. Ο Chandra απόλαυσε επτά ειρηνικά χρόνια στην Ευρώπη προτού μετακομίσει στην Αμερική, δουλεύοντας κυρίως, χωρίς επαναστατικές συνέπειες, πάνω στη θεωρία των κανονικών αστέρων. Ο Zwicky, αφού ολοκλήρωσε την έρευνα του ουρανού που αποκάλυψε τη σκοτεινή ύλη και διάφορους τύπους υπερκαινοφανών, ασχολήθηκε με στρατιωτικά προβλήματα καθώς άρχιζε ο Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος- τελικά, έγινε ειδικός στην πυραυλική. Ο Oppenheimer, αφού ανακάλυψε τη σημαντικότερη αστρονομική συνέπεια της γενικής σχετικότητας, έστρεψε την προσοχή του στις κοσμικές πυρηνικές εκρήξεις και έγινε διευθυντής του εργαστηρίου στο Λος Άλαμος.

    Όταν προσπάθησα αργότερα να ξεκινήσω μια συζήτηση με τον Oppenheimer σχετικά με τη σημασία των μελανών οπών στην εξέλιξη του σύμπαντος, ήταν τόσο απρόθυμος να μιλήσει γι’ αυτές, όσο και για το έργο του στο Λος Άλαμος. Ο Oppenheimer υπέφερε από μια ακραία μορφή προκατάληψης που επικρατούσε μεταξύ των θεωρητικών φυσικών, υπερεκτιμώντας την καθαρή επιστήμη και υποτιμώντας την παράγωγη επιστήμη. Για τον Oppenheimer, η μόνη δραστηριότητα που άξιζε το ταλέντο ενός πρωτοκλασάτου επιστήμονα, ήταν η αναζήτηση νέων νόμων της φύσης. Η μελέτη των συνεπειών των παλαιών νόμων ήταν μια δραστηριότητα για μεταπτυχιακούς φοιτητές ή τριτοκλασάτους άσχετους. Δεν είχε καμία επιθυμία να επιστρέψει αργότερα στη μελέτη των μελανών οπών, τον τομέα στον οποίο είχε κάνει τη σημαντικότερη συνεισφορά του στην επιστήμη. Πράγματι, ο Oppenheimer θα μπορούσε να συνεχίσει να κάνει σημαντικές συνεισφορές στη δεκαετία του 1950, όταν οι μελανές οπές ήταν ένα θέμα που δεν ήταν της μόδας, αλλά προτίμησε να ακολουθήσει την τελευταία λέξη της μόδας. Ο Oppenheimer και ο Zwicky δεν έζησαν, όπως ο Chandra, αρκετά ώστε να δουν τις επαναστατικές ιδέες τους να υιοθετούνται από μια νεότερη γενιά και να ενσωματώνονται στο κυρίαρχο ρεύμα της αστρονομίας.

    ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΣΤΡΙΚΗ ΔΟΜΗ ΣΤΟΝ ΣΑΙΞΠΗΡ

    Ο Chandra αφιέρωνε 5-10 χρόνια σε κάθε τομέα που επιθυμούσε να μελετήσει σε βάθος. Θα χρειαζόταν ένα χρόνο για να κατακτήσει το θέμα, μερικά ακόμη χρόνια για να δημοσιεύσει μια σειρά άρθρων σε περιοδικά που θα κατέρριπταν τα προβλήματα που μπορούσε να λύσει, και στη συνέχεια μερικά ακόμη χρόνια για να γράψει ένα οριστικό βιβλίο που θα εξέταζε το θέμα όπως το άφησε για τους διαδόχους του. Μόλις ολοκλήρωνε το βιβλίο, άφηνε το συγκεκριμένο πεδίο στην ησυχία του και αναζητούσε το επόμενο θέμα προς μελέτη.

    Αυτό το μοτίβο επαναλήφθηκε οκτώ φορές και καταγράφηκε στις ημερομηνίες και τους τίτλους των βιβλίων του Chandra. Το βιβλίο An Introduction to the Study of Stellar Structure (University of Chicago Press, 1939) συνοψίζει το έργο του σχετικά με την εσωτερική δομή των λευκών νάνων και άλλων τύπων αστέρων. Το Principles of Stellar Dynamics (University of Chicago Press, 1942) περιγράφει την εξαιρετικά πρωτότυπη εργασία του σχετικά με τη στατιστική θεωρία των αστρικών κινήσεων σε σμήνη και γαλαξίες. Το Radiative Transfer (Clarendon Press, 1950) παρέχει την πρώτη ακριβή θεωρία της μεταφοράς ακτινοβολίας στις αστρικές ατμόσφαιρες. Το βιβλίο Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability (Clarendon Press, 1961) παρέχει τα θεμέλια για τη θεωρία όλων των ειδών αστρονομικών αντικειμένων -συμπεριλαμβανομένων των αστέρων, των δίσκων προσαύξησης και των γαλαξιών- που μπορεί να γίνουν ασταθή ως αποτέλεσμα της διαφορικής περιστροφής. Το Ellipsoidal Figures of Equilibrium (Yale University Press, 1969) επιλύει ένα παλιό πρόβλημα βρίσκοντας όλες τις πιθανές διαμορφώσεις ισορροπίας μιας ασυμπίεστης υγρής μάζας που περιστρέφεται στο δικό της βαρυτικό πεδίο. Το πρόβλημα είχε μελετηθεί από τους μεγάλους μαθηματικούς του 19ου αιώνα – Carl Jacobi, Richard Dedekind, Peter Lejeune Dirichlet, και Bernhard Riemann – οι οποίοι δεν μπόρεσαν να προσδιορίσουν ποιες από τις διάφορες διαμορφώσεις ήταν σταθερές. Στην εισαγωγή του βιβλίου του, ο Chandra παρατηρεί,«Τα ερωτήματα αυτά έμελλε να παραμείνουν αναπάντητα για περισσότερα από εκατό χρόνια. Ο λόγος για αυτή την πλήρη παραμέληση πρέπει εν μέρει να αποδοθεί σε μια θεαματική ανακάλυψη του Πουανκαρέ, η οποία οδήγησε όλες τις μεταγενέστερες έρευνες προς κατευθύνσεις που φαίνονταν πλούσιες σε δυνατότητες- αλλά η μακρά αναζήτηση που συνεπαγόταν, αποδείχθηκε τελικά ένα κυνήγι χίμαιρας.»Μετά το έργο με τα ελλειψοειδή σχήματα ακολούθησε ένα κενό 15 ετών μέχρι την εμφάνιση του επόμενου βιβλίου, The Mathematical Theory of Black Holes (Clarendon Press, 1983). Αυτά τα 15 χρόνια ήταν η περίοδος κατά την οποία ο Chandra εργάστηκε πιο σκληρά και εντατικά πάνω στο θέμα που ήταν πιο κοντά στην καρδιά του: την ακριβή μαθηματική περιγραφή των μελανών οπών και των αλληλεπιδράσεών τους με τα περιβάλλοντα πεδία και σωματίδια. Το βιβλίο του για τις μαύρες τρύπες ήταν ο αποχαιρετισμός του στην τεχνική έρευνα, όπως η «Τρικυμία» ήταν ο αποχαιρετισμός του Ουίλιαμ Σαίξπηρ στη συγγραφή θεατρικών έργων. Μετά τη δημοσίευση του βιβλίου, ο Chandra έδωσε διαλέξεις και έγραψε για μη τεχνικά θέματα, για τα έργα του Σαίξπηρ, του Μπετόβεν και του Σέλεϊ και για τη σχέση μεταξύ τέχνης και επιστήμης. Μια συλλογή των διαλέξεών του για το ευρύ κοινό εκδόθηκε το 1987 με τον τίτλο Αλήθεια και Ομορφιά1 (ΣτΜ. Στα ελληνικά έχει εκδοθεί το 1992 από τις εκδόσεις ΕΣΠΙ).

    Κατά τη διάρκεια των ετών της συνταξιοδότησής του, πέρασε μεγάλο μέρος του χρόνου του δουλεύοντας τα Principia του Νεύτωνα. Ο Chandra ανακατασκεύασε κάθε πρόταση και κάθε απόδειξη, μεταφράζοντας τα γεωμετρικά επιχειρήματα του Νεύτωνα στην αλγεβρική γλώσσα που είναι οικεία στους σύγχρονους επιστήμονες. Τα αποτελέσματα της ιστορικής του έρευνας δημοσιεύτηκαν λίγο πριν από το θάνατό του στο τελευταίο του βιβλίο, Newton’s “Principia” for the Common Reader (Clarendon Press, 1995). Για να εξηγήσει γιατί έγραψε το βιβλίο, είπε: «Είμαι πεπεισμένος ότι οι γνώσεις κάποιου για τις Φυσικές Επιστήμες είναι ελλιπείς χωρίς τη μελέτη των Principia με τον ίδιο τρόπο που οι γνώσεις κάποιου για τη Λογοτεχνία είναι ελλιπείς χωρίς τη γνώση του Σαίξπηρ».6

    Το έργο του Chandra για τις μαύρες τρύπες ήταν το πιο δραματικό παράδειγμα της δέσμευσής του στην παράγωγη επιστήμη ως εργαλείο για την κατανόηση της φύσης.

    Η βασική μας κατανόηση της φύσης του χώρου και του χρόνου στηρίζεται σε δύο θεμέλια: πρώτον, στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας που ανακάλυψε ο Αϊνστάιν και δεύτερον, στις λύσεις για μελανές οπές αυτών των εξισώσεων που ανακάλυψαν ο Karl Schwarzschild και ο Roy Kerr και διερεύνησε σε βάθος ο Chandra. Η καταγραφή των βασικών εξισώσεων είναι ένα μεγάλο βήμα προς την κατανόηση, αλλά δεν αρκεί. Για να φτάσουμε σε μια πραγματική κατανόηση του χώρου και του χρόνου, είναι απαραίτητο να κατασκευάσουμε λύσεις των εξισώσεων και να εξερευνήσουμε όλες τις απροσδόκητες συνέπειές τους. Ο Chandra δεν είπε ποτέ ότι κατάλαβε περισσότερα για τον χώρο και τον χρόνο από τον Αϊνστάιν, αλλά κατάλαβε. Όσο ο Αϊνστάιν δεν αποδεχόταν την ύπαρξη των μελανών οπών, η κατανόηση του χώρου και του χρόνου δεν ήταν καθόλου πλήρης.

    Όταν ήμουν φοιτητής στο Κέιμπριτζ, σπούδασα με τον φίλο του Chandra, Godfrey Hardy, έναν καθαρόαιμο μαθηματικό που συμμεριζόταν τις απόψεις του Chandra για τον βρετανικό ιμπεριαλισμό και την ινδική πολιτική. Όταν ήρθα, ο Hardy ήταν γέρος και περνούσε τον περισσότερο χρόνο του γράφοντας βιβλία. Με την αλαζονεία της νιότης, ρώτησα τον Hardy γιατί σπαταλούσε τον χρόνο του γράφοντας βιβλία αντί να κάνει έρευνα. Ο Hardy απάντησε: «Οι νέοι πρέπει να αποδεικνύουν θεωρήματα. Οι γέροι πρέπει να γράφουν βιβλία». Αυτή ήταν μια καλή συμβουλή που δεν έχω ξεχάσει ποτέ. Την ακολούθησε και ο Chandra. Δεν ξέρω αν την έμαθε από τον Hardy.

    Αυτό το άρθρο βασίζεται σε μια ομιλία που έδωσα στο Συμπόσιο για την εκατονταετηρίδα του Chandrasekhar στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στις 16 Οκτωβρίου 2010.ΑΝΑΦΟΡΕΣ
    1. Chandrasekhar, S., 1987. Truth and Beauty: Aesthetics and Motivations in Science, Chicago: U.Chicago Press.
    2. Chandrasekhar, S., 1931. The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs. J. 74, 81. https://doi.org/10.1086/143324
    3. R. Oppenheimer, J., R., and Snyder. H., 1939. On Coninued Gravitational Contraction. Phys. Rev. 56, 455 (1939). https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.455
    4. See, for example, Zwicky, F., 1957. Morphological Astronomy, Berlin: Springer Springer, sec. 8 and 9.
    5. Bohr, N., and J. A. Wheeler, , A., 1939. The Mechanism of Nuclear Fission. Phys. Rev. 56, 426. https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.426
    6. Chandrasekhar, S., 1994. On reading Newton’s Principia at age past eighty. Sci. 67, 495.
    7. Αναφορά 2, ανατυπωμένη στο Wali, K., C., 2001. A Quest for Perspectives: Selected Works of S. Chandrasekhar, with Commentary, 1, London: Imperial College Press, p. 13.

    Ο Freeman Dyson είναι συνταξιούχος καθηγητής στο Institute for Advanced Study στο Princeton του New Jersey.ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Reproduced from Chandrasekhar’s role in 20th-century science Physics Today 63 (12), 44–48 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3529001, with the permission of the American Institute of Physics.”

  • Παρουσίαση Βιβλίου του Ε. Οικονόμου – «Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗΝ ΦΥΣΙΚΗ»

    Παρουσίαση Βιβλίου του Ε. Οικονόμου – «Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗΝ ΦΥΣΙΚΗ»

    To InScience σας παρουσιάζει το βιβλίο του Ε. Οικονόμου, ομότιμου καθηγητή του Πανεπιστημίου Κρήτης, με τίτλο «Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗΝ ΦΥΣΙΚΗ». Η παρουσίαση του βιβλίου διοργανώθηκε την Πέμπτη 18 Σεπτέμβρη 2025.Περίληψη:

    Αυτόν τον Κόσμο, που εκτείνεται από το αφάνταστα μικρό μέχρι το αδιανόητα μεγάλο, μπορούμε άραγε να τον κατανοήσουμε; Ναι, απαντά η Φυσική (και τούτο το βιβλίο επιδιώκει να τεκμηριώσει την καταφατική απάντηση), αρκεί να επικεντρωθούμε σε εκείνους τους σχηματισμούς που είναι λίγο-πολύ αυθύπαρκτοι, όπως ένα άτομο ή ένα μόριο ή ένα μεταλλικό αντικείμενο ή ένας πλανήτης ή, ακόμη, και ένα άστρο. Αυτό το Ναι μας υποχρεώνει όμως να δείξουμε πώς προκύπτουν οι ιδιότητες όλων αυτών των σχηματισμών: Τελικά από τρία μόνο είδη μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν σταδιακά την ύλη με την παρέμβαση των ελκτικών δυνά­μεων, κυρίως της ηλεκτρικής και της βαρυτικής· πέρα από τα σωματίδια και τις δυνάμεις χρειάζεται και κάτι άλλο που είναι «εκ των ων ουκ άνευ».

    Αυτό το κάτι άλλο υποδηλώνει την ύπαρξή του από το γεγονός ότι οι ελκτικές δυνάμεις παύουν από κάποιο σημείο και πέρα να φέρνουν ολοένα και πιο κοντά το ένα στο άλλο τα μικροσκοπικά σωματίδια. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο σε όλα τα άτομα του υδρογόνου, αντί να πέσει πάνω στο πρωτόνιο, παραμένει πάντοτε σε μια σταθερή μέση απόσταση από αυτό, η οποία είναι περίπου 50.000 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος του πρωτονίου. Αυτό το κάτι άλλο εξηγεί επίσης γιατί ο όγκος ενός λευκού νάνου γίνεται ο μισός όταν η μάζα του διπλασιάζεται.

    Ποιο είναι λοιπόν αυτό το κάτι άλλο; Είναι ο «δυσκολοχώνευτος» δυισμός κύματος-σωματιδίου (ΚΣΔ). Το γεγονός, δηλαδή, ότι τα μικροσκοπικά σωματίδια δεν ακολουθούν τροχιά, αλλά κινούνται σαν να ήταν κύματα. Από τον ΚΣΔ έπεται η ακατάπαυστη κίνηση των μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν την ύλη και η συνακόλουθη απωστική πίεση που ασκούν αυτά, η οποία, από κάποιο σημείο και πέρα, εξισορροπεί τη συμπίεση των δυνάμεων και αποκαθιστά την ισορροπία.

    —

    Η εικόνα του εξωφύλλου συμπυκνώνει το περιε­χόμενο του βιβλίου ως εξής:

    • Οι πυρηνικές δυνάμεις (κίτρινη περιοχή) έλκουν (ή και μετατρέπουν) μικροσκοπικά αδιαί­ρετα σωματίδια (τα u, d) και σχηματίζουν πρωτόνια, νετρόνια και πυρήνες.
    • Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (πράσινη περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει πυρήνες και ηλεκτρόνια (e) και σχηματίζει άτομα, μόρια, …, ανθρώπους, …, φεγγάρια και (εν μέρει) πλανήτες.
    • Η βαρυτική δύναμη (γαλάζια περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει άτομα και μόρια και σχηματίζει (εν μέρει) πλανήτες, και ενεργά άστρα, λευκούς νάνους, αστέρες νετρονίων, γαλαξίες, …
    • Στη συμπίεση αυτών των ελκτικών δυνά­μεων αντιτίθεται μια ακατάπαυστη κίνηση (κυρίως των ηλεκτρονίων) που αποκαθιστά την κατάσταση ισορροπίας της ύλης και τις όποιες ιδιό­τητές της.
    • Αυτή η τόσο σημαντική ακατάπαυστη κίνηση (χάρη στην οποία υπάρχουμε) προκύπτει σχεδόν πάντα από την αρχή της απροσδιοριστίας και την απαγορευτική αρχή. Ο τύπος στο κέντρο δίνει την ενέργειά της.

    ΣΥΝΤΟΜΟ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ

    Ο καθηγητής Ελευθέριος Οικονόμου είναι διακεκριμένος φυσικός, με διεθνώς αναγνωρισμένο έργο στη θεωρητική φυσική στερεάς κατάστασης και στην κβαντική φυσική. Σπούδασε στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και έλαβε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ενώ εργάστηκε σε κορυφαία ερευνητικά ιδρύματα των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής. Διετέλεσε καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και διευθυντής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας, όπου συνέβαλε καθοριστικά στην καθιέρωσή του ως κέντρο αριστείας. Το ερευνητικό του έργο περιλαμβάνει θεμελιώδεις συνεισφορές στην ηλεκτρονική δομή υλικών, στα επιφανειακά πλασμόνια και στα μεταϋλικά, ιδιαίτερα σε φωνονικούς κρυστάλλους, ενώ είναι συγγραφέας πολυάριθμων επιστημονικών δημοσιεύσεων και βιβλίων αναφοράς. Έχει τιμηθεί με διεθνή βραβεία και διακρίσεις, ενώ η συμβολή του στην ανάπτυξη της επιστήμης και της έρευνας στην Ελλάδα υπήρξε καθοριστική.

    Κεφάλαια της Ομιλίας

    00:00:21 Εισαγωγή – Χαιρετισμός
    00:03:11 Παρουσίαση Βιβλίου
    00:44:32 Ερωτήσεις
    00:44:42 Αν αρχίζατε σήμερα τη σταδιοδρομία σας ποια από τα σύγχρονα πεδία της φυσικής επιστήμης θα σας γοήτευαν;
    00:46:38 Ποιες είναι οι μεγάλες προκλήσεις και τα ανοιχτά ερωτήματα για την φυσική σήμερα;
    00:48:23 Η φυσική της αυτο-οργάνωσης μπορεί να ξεκλειδώσει τα μυστικά της έμβιας ύλης όπως παλαιότερα η κβαντική τα “μυστικά” της χημείας ερμηνεύοντας τη δημιουργία των χημικών δεσμών;
    00:51:04 Πριν από αρκετά χρόνια, σε μια επίσκεψη στο ΙΤΕ στην Κρήτη, είχα παρακολουθήσει μια ομιλία του Μόρελ Κoέν, του φυσικού, του Αμερικανού, ο οποίος μας είχε πει ότι όταν τέλειωσε ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος, αν κάποιος ήθελε να δει την πορεία της έρευνας στη φυσική παγκοσμίως, αρκούσε τότε να δει μια φορά το μήνα το Physical Review, να άνοιγε τις σελίδες του και να παρατηρούσε τα άρθρα που είχαν δημοσιευθεί εκεί. Έπαιρνε μια σφαιρική εικόνα της έρευνας που γινόταν στη φυσική παγκοσμίως. Σήμερα στη δουλειά μας, στην κυριολεξία, δεν προλαβαίνουμε να δούμε όχι τι γίνεται στην παγκόσμια έρευνα, αλλά τι γίνεται ακόμα και στον τομέα τον οποίο θεραπεύουμε. Αυτή η έκρηξη της παραγωγής μέσω των επιστημονικών papers, των δημοσιεύσεων κλπ πώς μπορεί να τιθασευθεί; Πώς μπορεί κάποιος στοιχειωδώς να την παρακολουθήσει σήμερα; Είναι ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε στη δουλειά και θα ήθελα λίγο το σχόλιο που βγαίνει από την πολυετή εμπειρία σας στην έρευνα.
  • ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ: ΜΕΡΟΣ 1: Η ΑΓΝΩΣΤΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ

    ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ: ΜΕΡΟΣ 1: Η ΑΓΝΩΣΤΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ

    Τα υπολείμματα του υπερκαινοφανούς αστέρα στον αστερισμό των Ιστίων (Vela) αναδύονται πάνω από την έρημο στον ουράνιο θόλο. Ευγενική προσφορά στο InS του Απόστολου Κυριαζή.Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ


    ΠΕΡΙΛΗΨΗ

    Ποιος ήταν ο πρώτος που πρότεινε την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης; Πώς προέκυψε ο όρος ιστορικά; Η συνηθέστερη απάντηση που συναντούμε στη διεθνή βιβλιογραφία προσπαθεί να συμπτύξει δεκαετίες ερευνών καταλήγοντας να είναι λάθος. Στο άρθρο αναλύουμε πώς πραγματικά προέκυψε ο όρος σκοτεινή ύλη και ποιες ήταν οι καίριες συνεισφορές που συνέβαλαν στην καθιέρωσή του.ΑΟΡΑΤΟΙ ΚΟΣΜΟΙ ΣΤΗΝ ΑΡΧΑΙΑ ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ

    Υπάρχουν σκοτεινοί κόσμοι, αδιόρατοι ακόμα και με τα πιο σύγχρονα όργανα παρατήρησης;  Υπάρχουν άπειροι κόσμοι κι επομένως κάποιοι μπορεί να διαφέρουν από αυτόν που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις μας, υποστήριζε ο Επίκουρος [1].  Αν και αυτή η πρόταση δεν μπορεί να ελεγχθεί επιστημονικά, το ζήτημα της ύπαρξης «αόρατων κόσμων» –  ή αντικειμένων που δεν μπορούν να ανιχνευθούν – είτε γιατί βρίσκονται πολύ μακριά, είτε γιατί δεν εκπέμπουν αρκετό φως είτε γιατί είναι «εγγενώς αόρατα» απασχολούσε φιλοσόφους και επιστήμονες απ’ την αρχαιότητα.

    Η πρώτη συγκεκριμένη πρόταση για την ύπαρξη ενός σκοτεινού κόσμου ήρθε απ’ τους Πυθαγόρειους φιλοσόφους. Συγκεκριμένα, ο Φιλόλαος φαίνεται να γνώριζε για την ύπαρξη 8 ουρανίων σωμάτων: Ήλιου, Ερμή, Αφροδίτης, Γης, Σελήνης, Άρη, Δία, Κρόνου και παραδεχόταν ότι στο κέντρο του Σύμπαντος βρίσκεται ένα ένατο αντικείμενο, το «Κεντρικόν Πυρ». Επομένως χρειαζόταν ένα δέκατο πλανήτη, για να συμπληρωθεί η «Τετρακτύς», η ιερή δεκάδα των ουράνιων σωμάτων, που αποτελούσε την κεντρική έννοια της φιλοσοφίας των Πυθαγορείων. Βασιζόμενος λοιπόν σε ένα μείγμα παρατηρήσεων και φιλοσοφικών πεποιθήσεων, ο Φιλόλαος πρότεινε ότι στο ηλιακό σύστημα υπάρχει ένας δέκατος πλανήτης, η Αντίχθων, ο οποίος βρίσκεται συνεχώς αντιδιαμετρικά της Γης ως προς το «Κεντρικό Πυρ», και επομένως δε μπορεί να παρατηρηθεί [2] (βλ. Εικ. 1).Εικόνα 1: (Αριστερά) Τα πέντε εσωτερικά αντικείμενα του αστρονομικoύ μοντέλου του Φιλόλαου με την Αντίχθονα να βρίσκεται συνεχώς αντιδιαμετρικά της Γης ως προς το «Κεντρικό Πυρ» κι όντας επομένως συνεχώς αόρατη από τη Γη. (Δεξιά) Η ιερή Τετρακτύς των Πυθαγορείων, που αποτελείται από 10 αριθμούς τοποθετημένους σε συγκεκριμένη γεωμετρική διάταξη.ΣΚΟΤΕΙΝΟΙ ΠΛΑΝΗΤΕΣ: ΠΟΣΕΙΔΩΝΑΣ ΚΑΙ ΗΦΑΙΣΤΟΣ

    Η ύπαρξη νέων πλανητών επανήλθε στο προσκήνιο πολύ αργότερα, όχι ως απόρροια φιλοσοφικών πεποιθήσεων αλλά αμιγώς μέσω της επιστημονικής μεθοδολογίας. Σημείο καμπής αποτέλεσε η ανακάλυψη της Νευτώνειας μηχανικής και του νόμου της παγκόσμιας έλξης, οι οποίοι δημοσιεύτηκαν στο μνημειώδες έργο του Νεύτωνα Principia το 1687. Η νευτώνεια θεωρία εγκαινίασε μια νέα εποχή για την επιστήμη, στην οποία η σύγκριση παρατηρήσεων με τη θεωρία αποτέλεσε την κινητήρια δύναμη για νέες ανακαλύψεις.

    Από τον Νεύτωνα και μετά, μια απόκλιση μεταξύ της θεωρίας και των παρατηρήσεων αποτελούσε την αφετηρία για μια νέα επιστημονική ανακάλυψη. Το πιο διάσημο παράδειγμα αποτελεί η πρόβλεψη της ύπαρξης του πλανήτη Ποσειδώνα. To 1821 o Γάλλος αστρονόμος Alexis Bouvard, εξέδωσε αστρονομικούς πίνακες με την τροχιά του Ουρανού μαζί με προβλέψεις για τη μελοντική θέση της τροχιάς του, όπως αυτή υπολογιζόταν απ’ τους νόμους του Νεύτωνα. Μελλοντικές παρατηρήσεις έδειξαν μεγάλες αποκλίσεις από τις προβλέψεις του Bouvard και επομένως τέθηκε επί τάπητος η ύπαρξη ενός νέου πλανήτη, ο οποίος θα έπρεπε να διαταράσσει την τροχιά του Ουρανού, όπως φαίνεται στην Εικ. 2.Εικόνα 2: Η τροχιά του Ουρανού (εσωτερικού πλανήτη) διαταράσσεται από τη βαρυτική επίδραση του εξωτερικού πλανήτη (Ποσειδώνα). Στο σημείο b ο Ποσειδώνας έλκει τον Ουρανό αναγκάζοντάς τον να κινηθεί γρηγορότερα απ’ ότι αναμένουμε και στο σημείο a γίνεται το αντίθετο. [Πηγή: RJHall, https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_of_Neptune#]Το 1845 ο Γάλλος μαθηματικός και αστρονόμος Urbain Le Verrier, απέδειξε κι αυτός ότι η τροχιά του Ουρανού δεν ακολουθεί τις προβλέψεις της νευτώνειας θεωρίας και στη συνέχεια υπολόγισε αρχικά τη θέση και στη συνέχεια τη μάζα και την ακριβή τροχιά ενός νέου αστρονομικού σώματος, το οποίο προκαλούσε τις διαταραχές στην τροχιά του Ουρανού και έστειλε τους υπολογισμούς του στο αστεροσκοπείο του Βερολίνου. Ο υπολογισμός του Le Verrier ήταν τόσο ακριβής που μέσα σε μόλις 24 ώρες, ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του πλανήτη Ποσειδώνα με 1 μοίρα απόκλιση από τη θέση που είχε προβλεφθεί [3].

    Ο Ποσειδώνας δεν ήταν ένας αόρατος πλανήτης όπως η Αντίχθων, αλλά ένας πολύ αμυδρός πλανήτης, ο οποίος παρέμενε μέχρι κάποια στιγμή αόρατος λόγω του μικρού φαινομένου μεγέθους του, αλλά έγινε ορατός με την πρόοδο των οργάνων παρατήρησης.

    Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Le Verrier πρότεινε το 1859 ακόμα έναν σκοτεινό πλανήτη, τον Ήφαιστο, για να εξηγήσει παρατηρούμενες ανωμαλίες στην τροχιά του Ερμή. Ο Ήφαιστος δεν παρατηρήθηκε ποτέ και τελικά ο Einstein απέδειξε ότι η ανωμαλίες στην τροχιά του Ερμή δεν προκαλούνταν από ένα νέο πλανήτη αλλά από την καμπύλωση του χώρου γύρω απ’ τον Ήλιο λόγω της μεγάλης βαρύτητάς του.

    ΜΕΛΑΝΕΣ ΟΠΕΣ: MICHELL KAI LAPLACE

    Πέρα από την ύπαρξη σκοτεινών πλανητών, ένα λογικό άλμα στην ύπαρξη νέων «σκοτεινών κόσμων», αστρονομικών αντικειμένων που δεν μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα ήταν η πρόταση για την ύπαρξη μελανών οπών, από τον John Michell και τον Pierre Simon de Laplace το 1783 και 1796 αντίστοιχα, οι οποίοι υπολόγισαν ότι για αντικείμενα με πολύ μεγάλη μάζα και πυκνότητα, η ταχύτητα διαφυγής [4] θα ξεπερνούσε την ταχύτητα του φωτός και επομένως τέτοια αντικείμενα δεν θα μπορούσαν να εκπέμψουν ή να ανακλάσουν το φως. Θα φαίνονταν δηλαδή σαν «μαύρες τρύπες πάνω στον έναστρο ουράνιο καμβά.Εικόνα 3: Προσομοιωμένη εικόνα μιας μαύρης τρύπας ενός γαλαξία. Η τεράστια βαρύτητά της προκαλεί την καμπύλωση των ακτίνων φωτός γύρω της, με αποτέλεσμα τα είδωλα των αστέρων που βρίσκονται πίσω της να φαίνονται παραμορφωμένα. [Πηγή: https://www.nasa.gov/image-article/computer-simulated-image-of-supermassive-black-hole/]Το 1916, εν μέσω του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου, ο Karl Schwarzschild, ο οποίος την περίοδο εκείνη υπηρετούσε ως εθελοντής στο γερμανικό στρατό, επιβεβαίωσε την πρόβλεψη του Laplace, αποδεικνύοντας μαθηματικά βάσει της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να υπάρξει. Το 1939 o Robert Oppenheimer και ο μαθητής του Hartland Snyder, απέδειξαν ότι μαύρες τρύπες μπορεί να προέλθουν από την εξέλιξη ενός αστέρα με πολύ μεγάλη μάζα, όταν αυτός εξαντλήσει τα πυρηνικά του καύσιμα και αρχίσει να καταρρέει βαρυτικά. To 1966 oι Σοβιετικοί Yakov Zeldovich και Igor Novikov απέδειξαν ότι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να δημιουργηθούν στο πρώιμο σύμπαν (λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη (Big Bang)) σε περιοχές μεγάλης πυκνότητας. Οι μαύρες τρύπες που προέρχονται από την εξέλιξη ενός αστέρα ονομάζονται αστρικές μαύρες τρύπες, ενώ εκείνες που δημιουργούνται στο πρώιμο σύμπαν ονομάζονται αρχέγονες μαύρες τρύπες.

    Η πρώτη επιβεβαίωση για την ύπαρξη μιας μαύρης τρύπας ήρθε σχεδόν δύο αιώνες αργότερα με την παρατήρηση της πηγής ακτίνων-Χ που ονομάστηκε Κύκνος-Χ1 και βέβαια πιο πρόσφατα από την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών και την απεικόνιση της μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας απ’ το Event Horizon Telescope. Όλες αυτές είναι αστρικές μαύρες τρύπες, ενώ αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν έχουν ακόμα παρατηρηθεί.

    Αξίζει να σταθούμε στο γεγονός ότι ενώ μια μαύρη τρύπα μπορεί να φαντάζει εξ ορισμού τελείως αόρατη, μπορεί να γίνει αισθητή έμμεσα μέσω της βαρυτικής της επίδρασης στο περιβάλλον. Αυτό γίνεται με 4 τρόπους σήμερα: 1) την ανίχνευση ακτινοβολίας που εκπέμπεται από υλικό που πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα, 2) της βαρυτικής εστίασης, δηλ. της παραμόρφωσης των ειδώλων των αντικειμένων που βρίσκονται πίσω από μια μαύρη τρύπα, λόγω της καμπύλωσης του φωτός γύρω από αυτήν, 3) της επίδρασης των μελανών οπών στις τροχιές των κοντινών σε αυτές αντικειμένων και 4) στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η ιδέα της ανίχνευσης μάζας μέσω της βαρυτικής της επίδρασης θα παίξει κεντρικό ρόλο στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης.

    Αξίζει να σημειωθεί ότι η δυνατότητα να ανιχνεύσουμε μαύρες τρύπες έστω και με αυτούς τους έμμεσους τρόπους βασίζεται αποκλειστικά στο γεγονός ότι οι μαύρες τρύπες έχουν τεράστια μάζα κι επομένως η βαρυτική επίδραση στο περιβάλλον τους είναι σημαντική [4]. Πιο μικρές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν θεωρητικά να παρατηρηθούν μέσω της ακτινοβολίας Hawking που εικάζεται ότι εκπέμπουν, αλλά κάτι τέτοιο δεν έχει γίνει μέχρι στιγμής.

    ΣΚΟΤΕΙΝΑ ΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΔΙΟΡΑΤΗ ΥΛΗ: ΚELVIN KAI POINCARE

    Με την ανακάλυψη της αστροφωτογραφίας στα τέλη του 19ου αιώνα, οι φυσικοί αντιλήφθηκαν ότι τα άστρα του γαλαξία μας περιβάλλονται από εκτεταμένες σκοτεινές περιοχές κι άρχισαν να αναρωτιούνται αν οι περιοχές αυτές είναι σκοτεινές λόγω της έλλειψης άστρων ή λόγω της ύπαρξης αόρατης ύλης που απορροφά το φως.

    Ο Λόρδος Κέλβιν πίστευε ότι αυτά τα κενά που παρατηρούνταν στις αστροφωτογραφίες μπορεί να ήταν σβησμένα άστρα, ή άστρα πολύ αμυδρά, για να παρατηρηθούν και ήταν απ’ τους πρώτους που προσπάθησαν να υπολογίσουν (Kelvin, 1904) την ποσότητα των «σκοτεινών σωμάτων» στο γαλαξία, θεωρώντας τον ως ένα αέριο που περιστρέφεται.

    Ο Γάλλος μαθηματικός Henri Poincare βασιζόμενος στον υπολογισμό του Kelvin έφτασε το 1906 στο συμπέρασμα ότι εφόσον η διασπορά των αστρικών ταχυτήτων που υπολόγισε ο Kelvin δεν είναι πολύ μεγάλη, η «αδιόρατη ύλη» (matiere obscure στα γαλλικά στο πρωτότυπο) θα πρέπει να είναι ίση ή μικρότερη απ’ την ύλη που ακτινοβολεί (Poincare, 1906).

    Ενώ αυτές ήταν οι πρώτες συγκεκριμένες αναφορές στη σκοτεινή ύλη, o υπολογισμός του Kelvin περιείχε αρκετές υπεραπλουστευτικές υποθέσεις, οι οποίες κατέληγαν στο ποιοτικά εσφαλμένο αποτέλεσμα ότι η ποσότητα σκοτεινής ύλης είναι μικρότερη από αυτή της φωτεινής ύλης.

    Η ΜΕΡΑ ΠΟΥ ΑΝΑΚΑΛΥΨΑΜΕ ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ: KAPTEYN, HUBBLE KAI OORT

    Στις αρχές του 20ού αιώνα ο Ολλανδός αστρονόμος Jakobus Kapteyn μέτρησε αναλυτικά τις θέσεις και τις ταχύτητες χιλιάδων αστέρων και πρότεινε το πρώτο μοντέλο που περιέγραφε τη δομή του γαλαξία μας υπολογίζοντας τη μάζα και το μέγεθός του, αναφέροντας μάλιστα, το 1922, ότι όταν η «θεωρία (σ.σ.: της γαλαξιακής δομής) τελειοποιηθεί, θα είναι ίσως δυνατόν να υπολογίσουμε το ποσό της σκοτεινής ύλης μέσω της βαρυτικής της επίδρασης» (Kapteyn, 1922).

    Είναι αρκετά παράδοξο ότι μέχρι και πριν από 100 χρόνια η επιστημονική κοινή γνώμη ενώ μιλούσε για «σύμπαν», θεωρούσε ότι δεν υπάρχουν γαλαξίες πέρα από τον δικό μας. Πρώτος ο Edwin Hubble το 1924 παρατήρησε κηφείδες αστέρες στο γαλαξία της Ανδρομέδας και απέδειξε [5] ότι η απόστασή τους είναι πολύ μεγαλύτερη από την έκταση του Γαλαξία μας (Hubble, 1929), επομένως θα πρέπει να ανήκουν σε ένα διαφορετικό γαλαξία. Αυτή ήταν η πρώτη επιστημονική απόδειξη ότι το σύμπαν αποτελείται από περισσότερους γαλαξίες και άνοιξε το δρόμο για τις μεγάλες αστρονομικές ανακαλύψεις που ακολούθησαν με καταιγιστικό ρυθμό.

    Ο μαθητής του Kapteyn, Ολλανδός αστρονόμος Jan Oort, ήταν ο πρώτος που απέδειξε το 1927 ότι ο γαλαξίας μας περιστρέφεται και μάλιστα όπως το ηλιακό σύστημα, δηλαδή τα εσωτερικά μέρη περιστρέφονται πιο γρήγορα από τα εξωτερικά (Oort, 1927). Εκτός αυτού, ο Oort υπολόγισε την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στην περιοχή του ηλιακού συστήματος (Oort, 1932), μια ποσότητα κεντρικής σημασίας ακόμα και για τα σημερινά πειράματα που προσπαθούν να ανακαλύψουν τη σκοτεινή ύλη, καταλήγοντας κι αυτός στο συμπέρασμα ότι «η συνολική μάζα της νεφελώδους ή μετεωρικής ύλης κοντά στον ήλιο είναι… πιθανότατα πολύ μικρότερη απ’ τη συνολική μάζα των ορατών αστέρων».

    Βλέπουμε επομένως ότι:

      1. Ο όρος «σκοτεινή ύλη» και άλλες παρόμοιες εκφορές τις ίδιας έννοιας εμφανίζονται στη βιβλιογραφία πολύ πριν το 1930.
      2. Η επιστημονική κοινότητα όχι μόνο υπέθετε την παρουσία σκοτεινής ύλης στο γαλαξία αλλά γίνονταν και προσπάθειες για τον υπολογισμό της πυκνότητάς της, μάλιστα με δυναμικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν και μεταγενέστερα.
      3. Η επικρατούσα αντίληψη εκείνη την εποχή ήταν ότι η «σκοτεινή/νεφελώδης/μετεωρική/αδιόρατη» ύλη αποτελούνταν από αχνά άστρα, νεφελώματα ή μετεωρίτες, τα οποία απλά δεν μπορούσαν ακόμα να παρατηρηθούν με την τεχνολογία της εποχής.

    ΜΕΤΡΩΝΤΑΣ ΤΗΝ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΝΟΣ ΓΑΛΑΞΙΑ

    Οι αστρονομικές παρατηρήσεις της περιστροφής γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών έπαιξαν κεντρικό ρόλο στην καθιέρωση της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Πώς όμως μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητα ενός μακρινού γαλαξία ως προς τη Γη; Αυτό γίνεται μέσω του φαινομένου Doppler, το οποίο είναι γνωστό σε όλους μας: σε αυτό το φαινόμενο οφείλεται η αλλαγή στη συχνότητα της σειρήνας ενός ασθενοφόρου όταν πλησιάζει προς ή απομακρύνεται από εμάς. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο ήχος είναι ένα κύμα και η συχνότητα με την οποία διασχίζουμε τις κορυφές του κύματος καθορίζει τη συχνότητα του ήχου που αντιλαμβανόμαστε (Εικ. 4). Το ίδιο συμβαίνει και με το φως, καθώς κι αυτό είναι ένα (ηλεκτρομαγνητικό) κύμα. Παρατηρώντας τις φασματικές γραμμές ενός γαλαξία και συγκρίνοντάς τις με τα ίδια φάσματα όπως τα μετράμε στη γη μπορούμε να προσδιορίσουμε αν ο γαλαξίας πλησιάζει ή απομακρύνεται από τη γη και με τι ταχύτητα.Από την ταχύτητα περιστροφής μπορούμε επίσης να εκτιμήσουμε τη μάζα ενός γαλαξία. Όπως γνωρίζουμε απ’ την καθημερινή μας εμπειρία σε ένα αντικείμενο που περιστρέφεται ασκούνται δυνάμεις που το συγκρατούν σε τροχιά. Για παράδειγμα αν δέσετε έναν κουβά με ένα σκοινί και τον περιστρέψετε, θα νιώθετε μια δύναμη απ’ το σκοινί να τραβάει το χέρι σας προς τα έξω. Αυτή ονομάζεται φυγόκεντρος και είναι η αντίδραση στη «κεντρομόλο» δύναμη που ασκεί το χέρι σας (μέσω του σκοινιού) στον κουβά, εξαναγκάζοντάς τον να κινηθεί σε κυκλική τροχιά. Όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ο κουβάς τόσο μεγαλύτερη θα είναι η δύναμη που θα πρέπει να ασκήσετε. Το ίδιο γίνεται και με ένα γαλαξία ή ένα σμήνος γαλαξιών που περιστρέφεται. Όσο πιο γρήγορη είναι η περιστροφή, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η δύναμη που ασκείται, για να συγκρατείται το σύστημα σε τροχιά και να μην εκσφενδονιστεί. Στην περίπτωση αυτή η δύναμη δεν ασκείται μέσω σκοινιών αλλά αντιστοιχεί απλά στη βαρυτική έλξη που δημιουργείται από το σύνολο των μαζών μες στο γαλαξία/γαλαξιακό σμήνος. Επομένως συμπεραίνουμε ότι όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ένας γαλαξίας/σμήνος, τόσο μεγαλύτερη μάζα θα πρέπει να περιέχει.

    Επιπλέον αν θεωρήσουμε ότι τα περισσότερα άστρα βρίσκονται στην κεντρική περιοχή ενός γαλαξία, περιμένουμε η βαρυτική έλξη να μειώνεται προς το εξωτερικό του, επομένως περιμένουμε τα άστρα στις εξωτερικές περιοχές ενός γαλαξία να περιστρέφονται πιο αργά από τα άστρα στο εσωτερικό του.

    Οι πρώτες μετρήσεις της περιστροφής αστρονομικών αντικειμένων έγιναν χρησιμοποιώντας τα κοντινότερα και πιο εύκολα παρατηρήσιμα αντικείμενα [6], το γαλαξία της Ανδρομέδας (τον πιο κοντινό γαλαξία στο δικό μας) και το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης, που βρίσκεται στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης (Εικ. 5).Εικόνα 4: Απεικόνιση του φαινομένου Doppler. Αριστερά: στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων μια ηχητική πηγή που πλησιάζει έναν παρατηρητή φαίνεται να εκπέμπει υψηλότερης συχνότητας ήχο από μια πηγή που απομακρύνεται από έναν παρατηρητή. Δεξιά: το φως ενός γαλαξία που πλησιάζει προς τη γη φαίνεται να είναι μετατοπισμένο προς μεγαλύτερες συχνότητες (κυανό) ενώ αν ο γαλαξίας απομακρύνεται ο παρατηρητής βλέπει το φως του μετατοπισμένο προς το ερυθρό.Από την ταχύτητα περιστροφής μπορούμε επίσης να εκτιμήσουμε τη μάζα ενός γαλαξία. Όπως γνωρίζουμε απ’ την καθημερινή μας εμπειρία σε ένα αντικείμενο που περιστρέφεται ασκούνται δυνάμεις που το συγκρατούν σε τροχιά. Για παράδειγμα αν δέσετε έναν κουβά με ένα σκοινί και τον περιστρέψετε, θα νιώθετε μια δύναμη απ’ το σκοινί να τραβάει το χέρι σας προς τα έξω. Αυτή ονομάζεται φυγόκεντρος και είναι η αντίδραση στη «κεντρομόλο» δύναμη που ασκεί το χέρι σας (μέσω του σκοινιού) στον κουβά, εξαναγκάζοντάς τον να κινηθεί σε κυκλική τροχιά. Όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ο κουβάς τόσο μεγαλύτερη θα είναι η δύναμη που θα πρέπει να ασκήσετε. Το ίδιο γίνεται και με ένα γαλαξία ή ένα σμήνος γαλαξιών που περιστρέφεται. Όσο πιο γρήγορη είναι η περιστροφή, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η δύναμη που ασκείται, για να συγκρατείται το σύστημα σε τροχιά και να μην εκσφενδονιστεί. Στην περίπτωση αυτή η δύναμη δεν ασκείται μέσω σκοινιών αλλά αντιστοιχεί απλά στη βαρυτική έλξη που δημιουργείται από το σύνολο των μαζών μες στο γαλαξία/γαλαξιακό σμήνος. Επομένως συμπεραίνουμε ότι όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ένας γαλαξίας/σμήνος, τόσο μεγαλύτερη μάζα θα πρέπει να περιέχει.

    Επιπλέον αν θεωρήσουμε ότι τα περισσότερα άστρα βρίσκονται στην κεντρική περιοχή ενός γαλαξία, περιμένουμε η βαρυτική έλξη να μειώνεται προς το εξωτερικό του, επομένως περιμένουμε τα άστρα στις εξωτερικές περιοχές ενός γαλαξία να περιστρέφονται πιο αργά από τα άστρα στο εσωτερικό του.

    Οι πρώτες μετρήσεις της περιστροφής αστρονομικών αντικειμένων έγιναν χρησιμοποιώντας τα κοντινότερα και πιο εύκολα παρατηρήσιμα αντικείμενα [6], το γαλαξία της Ανδρομέδας (τον πιο κοντινό γαλαξία στο δικό μας) και το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης, που βρίσκεται στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης (Εικ. 5).Εικόνα 5: Χάρτης του καλοκαιρινού ουρανού της Ελλάδας με τους κύριους αστερισμούς. Διακρίνουμε τον Γαλαξία της Ανδρομέδας (Μ31) μεταξύ των αστερισμών της Ανδρομέδας και της Κασσιόπειας, το Γαλαξία του Τριγώνου (Μ33) μεταξύ του αστερισμού του τριγώνου και των Ιχθύων, καθώς και τον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης στα δυτικά της Μεγάλης Άρκτου (Ursa Major), ο οποίος φιλοξενεί το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης (Coma cluster). [Πηγή: https://stellarium-web.org/]ΑΝΔΡΟΜΕΔΑ ΚΑΙ ΚΟΜΗ ΤΗΣ ΒΕΡΕΝΙΚΗΣ – ΟΙ ΠΡΩΤΕΣ ΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΑΡΞΗ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ

    To 1914 o αμερικανός αστρονόμος Vesto Slipher παρατήρησε (Slipher, 1914) ότι αντιδιαμετρικά σημεία του γαλαξία της Ανδρομέδας κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αποδεικνύοντας έτσι για πρώτη φορά ότι οι γαλαξίες περιστρέφονται [7]. To 1917 o αμερικανός αστρονόμος Francis Pease μέτρησε την περιστροφή της κεντρικής περιοχής του γαλαξία της Ανδρομέδας σε αποστάσεις μέχρι περίπου 0.5 kpc απ’ το κέντρο της (Pease, 1918), δείχνοντας ότι η ταχύτητα περιστροφής αυξάνεται γραμμικά όσο απομακρυνόμαστε απ’ το κέντρο.

    Ύστερα από αρκετά χρόνια, το 1930, ο Σουηδός αστρονόμος Knut Lundmark μέτρησε τις ταχύτητες περιστροφής πέντε γαλαξιών (μεταξύ των οποίων ο γαλαξίας της Ανδρομέδας και ο γαλαξίας του Τριγώνου) και σύγκρινε τις τιμές που βρήκε με αυτές που θα περίμενε βάσει της μάζας των ορατών αστέρων τους, αποδεικνύοντας ότι η συνολική μάζα που πρέπει να έχουν οι γαλαξίες για να συντηρήσουν τόσο μεγάλες ταχύτητες περιστροφής πρέπει να είναι έως και 100 φορές μεγαλύτερη από την ορατή μάζα τους (Lundmark, 1930). Μάλιστα στη δημοσίευσή του έκανε λόγο για «σκοτεινά σώματα» που αποτελούνται από «σβησμένα άστρα, σκοτεινά νεφελώματα, μετεωρίτες, κομήτες, κλπ». Αυτή ήταν η πρώτη, εξ’ όσων γνωρίζουμε, εργασία που πρότεινε ότι υπάρχει περίσσεια σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες. Το όνομα του Lundmark έμεινε στην αφάνεια ίσως κυρίως επειδή οι μετρήσεις του είχαν σχετικά μεγάλο σφάλμα και κάλυπταν μόνο μια μικρή περιοχή γύρω από το κέντρο κάθε γαλαξία (λιγότερο από το 1/10 του γαλαξιακού δίσκου), αφήνοντας περιθώριο για εναλλακτικές ερμηνείες.

    Tο 1939, ο αμερικανός αστρονόμος Horace Babcock προσδιόρισε την ταχύτητα περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας καλύπτοντας αποστάσεις μέχρι 20 kpc [8] από το κέντρο της (σχεδόν το μισό του γαλαξιακού δίσκου) βρίσκοντας ότι τα εξωτερικά μέρη του γαλαξία περιστρέφονται πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι αναμενόταν (Babcock, 1939). Ο ίδιος έγραψε ότι «είναι προφανές ότι τα εξωτερικά μέρη του νεφελώματος (σ.σ.: γαλαξία της Ανδρομέδας) είτε εμπεριέχουν μια μεγάλη ποσότητα μη φωτεινής ύλης (σ.σ.: σκοτεινής ύλης) είτε οι τροχιές έχουν σημαντικές αποκλίσεις από την κυκλικότητα». Οι μετρήσεις αυτές του Babcock ενώ έθεσαν τα θεμέλια για τις μετρήσεις των γαλαξιακών καμπυλών περιστροφής, δεν ήταν αρκετές, για να θεμελιώσουν την ύπαρξη σκοτεινής ύλης, γιατί αφορούσαν ένα και μοναδικό γαλαξία και μάλιστα ο ίδιος σχολίαζε επιφυλακτικά ότι «η απορρόφηση μπορεί να παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στο εξωτερικό του γαλαξία», επομένως οι μεγάλες ταχύτητες να μην οφείλονται στην παρουσία σκοτεινής ύλης.

    Όσον αφορά την περιστροφή γαλαξιακών σμηνών, το 1931 o Edwin Hubble και o Milton Humason (Hubble & Humason, 1931) μέτρησαν την ερυθρομετατόπιση των γαλαξιών στο γαλαξιακό σμήνος της Κόμης. Είναι αξιοπερίεργο ότι ενώ τα δεδομένα των Hubble και Humason έδειχναν ότι κάποιοι γαλαξίες είχαν πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες απ’ το μέσο όρο του σμήνους, οι αμερικάνοι επιστήμονες δεν προχώρησαν στην ερμηνεία αυτής της παρατήρησης, καθώς κύριο μέλημά τους δεν ήταν η μελέτη της σκοτεινής ύλης αλλά η συσχέτιση της ερυθρομετατόπισης με την απόσταση, κάτι το οποίο είχε χρησιμοποιήσει ο Hubble δύο χρόνια πριν, για να αποδείξει τη διαστολή του σύμπαντος.

    FRITZ ZWICKY: ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΣΕ ΓΑΛΑΞΙΑΚΑ ΣΜΗΝΗ

    Ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky θεωρείται απ’ τους περισσότερους ως πρωτοπόρος στην ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης. To 1933 o Zwicky ανέλυσε τα δεδομένα των Hubble και Humason και παρατήρησε κι αυτός τη μεγάλη διασπορά ταχυτήτων, πηγαίνοντας όμως ένα βήμα παραπέρα.

    Ο Zwicky θεώρησε ότι το σμήνος είναι ένα ευσταθές δυναμικό σύστημα και εφάρμοσε το θεώρημα Virial, που συνδέει την κινητική με τη δυναμική του ενέργεια, οι οποίες με τη σειρά τους εξαρτώνται από τη μάζα και το μέγεθος του συστήματος και τη διασπορά των ταχυτήτων των γαλαξιών του σμήνους (Zwicky, 1933). Κάνοντας κάποιες υποθέσεις για τον όγκο και την ολική μάζα του συστήματος, βασιζόμενος στη μέση μάζα ενός γαλαξία, ο Zwicky υπολόγισε ότι η διασπορά των ταχυτήτων θα έπρεπε να είναι περίπου 80 km/s ενώ οι μετρούμενες τιμές ήταν 1000 km/s ή και περισσότερο. Κατέληξε λοιπόν στο εξής συμπέρασμα:

    «Για να επιτευχθεί η παρατηρούμενη τιμή ενός μέσου φαινομένου Doppler 1000 km/s ή παραπάνω, η μέση πυκνότητα του συστήματος της Κόμης θα έπρεπε να είναι 400 φορές μεγαλύτερη απ’ αυτή που εξάγουμε από παρατηρήσεις της φωτεινής ύλης. Αν αυτό επιβεβαιωθεί θα έχουμε το εκπληκτικό αποτέλεσμα ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει σε πολύ μεγαλύτερη ποσότητα από τη φωτεινή ύλη».

    Μάλιστα σε αντίθεση με τους προκατόχους του, αφού εξέτασε πιθανές εναλλακτικές ερμηνείες για την απορρόφηση του φωτός από μεσοαστρικό υλικό κλπ, τις απέρριψε ως αμελητέες, καταλήγοντας ότι «η μεγάλη διασπορά ταχυτήτων στο σύστημα της Κόμης κρύβει ένα πρόβλημα που δεν έχει ακόμα κατανοηθεί».

    Στις περισσότερες επιστημονικές ομιλίες, ακόμα και βιβλία για τη σκοτεινή ύλη, η παραπάνω φράση παρουσιάζεται ως η πρώτη φορά που εισήχθηκε ο όρος σκοτεινή ύλη. Όπως είδαμε κάτι τέτοιο δεν ισχύει σε καμία περίπτωση. Διαβάζοντας το άρθρο του Zwicky καταλαβαίνει κανείς ότι ο όρος «σκοτεινή ύλη» χρησιμοποιείται χωρίς να οριστεί (τουλάχιστον στο συγκεκριμένο άρθρο), το οποίο σημαίνει ότι ο Zwicky απλά ακολουθεί την ορολογία που ήταν διαδεδομένη στους αστρονόμους εκείνης της εποχής (σε συνέχεια της δουλειάς των Oort, Kapteyn και Lundmark). Ο Zwicky ορίζει τον όρο σκοτεινή ύλη σε μετέπειτα άρθρο του (Zwicky, 1937) ως «ψυχρά άστρα, μακροσκοπικά και μικροσκοπικά συμπαγή σώματα και αέρια», το οποίο παρεμπιπτόντως γνωρίζουμε σήμερα ότι δεν είναι σωστό.

    Γιατί λοιπόν ο Zwicky θεωρείται ο πρώτος που εισήγαγε τον όρο σκοτεινή ύλη; Καταρχάς ήταν ο πρώτος που πρότεινε ότι η σκοτεινή ύλη είναι περισσότερη απ’ τη φωτεινή και μάλιστα κατά έναν τεράστιο παράγοντα (400 φορές) και ο πρώτος που επέμεινε στο ότι εναλλακτικές ερμηνείες δεν μπορούν να επιλύσουν το πρόβλημα των μεγάλων ταχυτήτων που παρατηρούνται στα γαλαξιακά σμήνη. Το πρόβλημα επομένως της σκοτεινής ύλης παρουσιάστηκε για πρώτη φορά ως ένα σημαντικό πρόβλημα στη θεωρία που χρήζει επίλυσης.

    Παρόλα αυτά την περίοδο εκείνη, η κοινή γνώμη δεν αποδεχόταν τους υπολογισμούς του Zwicky για διάφορους λόγους. Ο σημαντικότερος ήταν η θεώρηση του σμήνους της Κόμης ως ένα σύστημα σε ισορροπία. Πολλοί υποστήριζαν ότι οι γαλαξίες που είχαν μεγάλη ταχύτητα δεν ανήκαν στο σύστημα της Κόμης κι ότι το σμήνος της Κόμης δε βρίσκεται σε ισορροπία επομένως το θεώρημα Virial δεν ισχύει. Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια ακόμα, για να γίνει αποδεκτή η έννοια της σκοτεινής ύλης.

    VERA RUBIN: ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΣΤΟΥΣ ΓΑΛΑΞΙΕΣ

    Όπως είδαμε πριν, οι μετρήσεις της ταχύτητας περιστροφής γαλαξιών και η σύνδεσή τους με τον υπολογισμό της σκοτεινής ύλης είχε αρχίσει από το 1930, πριν από τις εργασίες του Zwicky, το οποίο καταδεικνύει ότι οι αστρονόμοι της εποχής ήταν ανοικτοί στο ενδεχόμενο να υπάρχει σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες. Οι υπολογισμοί του Lundmark και του Babcock αλλά και πολλοί μεταγενέστεροι [9] εγείραν διάφορες αντιρρήσεις σχετικά με το μικρό δείγμα γαλαξιών που χρησιμοποιούσαν, τον περιορισμό τους σε μικρές αποστάσεις από τα γαλαξιακά κέντρα και τα μεγάλα σφάλματά τους.

    Σημείο καμπής αποτέλεσε η δουλειά της Αμερικανίδας αστρονόμου Vera Rubin, η οποία μαζί με τους συνεργάτες της Kent Ford και Robert Thonnard, δημοσίευσαν τις πρώτες οπτικές μετρήσεις αρχικά μόνο του γαλαξία της Ανδρομέδας (Rubin & Ford, 1970) και στη συνέχεια ενός συνόλου από 21 γαλαξίες (Rubin et al, 1978), καλύπτοντας πάνω από το 80% της γαλαξιακής (οπτικής) ακτίνας. Οι μετρήσεις τους (Εικ. 6) έδειξαν ότι η ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών δε μειώνεται προς το εξωτερικό τους, όπως αναμένει κανείς λόγω μείωσης μάζας (συνεπώς και της βαρυτικής έλξης) αλλά αντίθετα παραμένει σταθερή, πράγμα το οποίο υποδεικνύει την παρουσία μιας επιπλέον συνιστώσας ύλης που διαθέτει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις αλλά δε φωτοβολεί.

    Οι παρατηρήσεις αυτές με τη συστηματική μέθοδο παρατήρησης πολλών γαλαξιών. τη συστηματική μέθοδο αποκλεισμού σφαλμάτων που δεν άφηνε περιθώρια σε εναλλακτικές ερμηνείες και το γεγονός ότι κάλυψαν μεγάλη έκταση του γαλαξιακού δίσκου ανάγκασε την επιστημονική κοινότητα να αποδεχθεί ότι θα πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες και πολλοί θεωρούν ότι η δουλειά αυτή άξιζε να τιμηθεί με το βραβείο Nobel.Εικόνα 6: (Πάνω) Μετρήσεις της ταχύτητας περιστροφής του γαλαξία του τριγώνου στο ορατό (κίτρινες κουκίδες) και σε ραδιοσυχνότητες (μπλε κουκίδες). Η πρόβλεψη της ταχύτητας περιστροφής βάσει της μετρούμενης φωτεινής μάζας του γαλαξία φαίνεται με γκρι διακεκομένη γραμμή. (Κάτω) Μετρήσεις ταχυτήτων περιστροφής διαφόρων γαλαξιών από το (Rubin et al, 1978). [Πηγές: https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_rotation_curve, (Rubin et al, 1978)]Αξίζει να αναφέρουμε εν συντομία ότι παράλληλα με τις οπτικές μετρήσεις της Rubin και των συνεργατών της, παρατηρήσεις με ραδιοκύματα, τις οποίες εισήγαγε ο Ολλανδός αστρονόμος Hendrik van de Hulst, χρησιμοποιήθηκαν για να μετρηθούν οι ταχύτητες περιστροφής στα εξωτερικά μέρη των γαλαξιών, πολύ πέρα από τις οπτικές μετρήσεις. Αυτές έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην επιβεβαίωση των μετρήσεων της Rubin και των συνεργατών της (Βertone and Hooper, 2018).

    ΕΝ ΚΑΤΑΚΛΕΙΔΙ

    Από τις φιλοσοφικές υποθέσεις των αρχαίων μέχρι τις λεπτομερείς παρατηρήσεις της Vera Rubin, η ιστορία της σκοτεινής ύλης είναι μια συναρπαστική διαδρομή της επιστημονικής αναζήτησης. Οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στην αναπόφευκτη παραδοχή της ύπαρξης αυτής της αόρατης ουσίας, θέτοντας τα θεμέλια για τις σύγχρονες έρευνες που προσπαθούν να αποκαλύψουν τη φύση της, ένα θέμα που θα εξερευνήσουμε στο επόμενο μέρος.ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] «Ἀλλὰ μὴν καὶ κόσμοι ἄπειροί εἰσιν, οἵ θ’ ὅμοιοι τούτῳ καὶ ἀνόμοιοι». Επίκουρος – Επιστολή στον Ηρόδοτο, Επιτομή περί φύσεως, ↩

    [2] «τὸ μὲν πῦρ μέσον (τοῦτο γὰρ εἶναι τοῦ παντὸς ἑστίαν), δευτέραν δὲ τὴν ἀντίχθονα, τρίτην δὲ τὴν οἰκουμένην γῆν ἐξ ἐναντίας κειμένην τε καὶ περιφερομένην τῆι ἀντίχθονι· παρ᾿ ὃ καὶ μὴ ὁρᾶσθαι ὑπὸ τῶν ἐν τῆιδε τοὺς ἐν ἐκείνη», όπως διασώζεται στο Αέτιος, Περί τῶν φιλοσόφων δόγματα (Placita Philosophorum), Βιβλίο III, κεφ. 11, § 3. Δηλαδή «Το πυρ βρίσκεται στο κέντρο (διότι αυτό είναι η εστία όλου του κόσμου), δεύτερη έρχεται η Ἀντίχθων, και τρίτη η οικουμένη γη, η οποία βρίσκεται απέναντι και περιστρέφεται γύρω από την Ἀντίχθονα· γι’ αυτό κι εκείνοι που βρίσκονται εδώ δεν μπορούν να βλέπουν όσους κατοικούν εκεί». ↩

    [3] Στην πραγματικότητα η ιστορία της ανακάλυψης του Ουρανού είναι πιο πολύπλοκη, εμπλέκοντας και μία ομάδα από Άγγλους μαθηματικούς και αστρονόμους, οι οποίοι μάλιστα άρχισαν να δουλεύουν στο πρόβλημα πριν τον Le Verrier, αλλά δεν κατάφεραν να παρατηρήσουν τον Ποσειδώνα, τόσο λόγω σφαλμάτων στους υπολογισμούς τους όσο και προβλημάτων στα όργανα που χρησιμοποιούσαν. ↩

    [4] Η ταχύτητα διαφυγής είναι η ταχύτητα που πρέπει να έχει ένα αντικείμενο για να ξεφύγει από τη βαρυτική έλξη ενός ουράνιου σώματος. ↩

    [5] Εδώ δεν παίρνουμε υπόψη φιλοσοφικές υποθέσεις όπως αυτή του Επίκουρου, του Λευκίππου και του Δημόκριτου για την ύπαρξη άπειρων κόσμων και την εικασία του αστρονόμου Thomas Wright (1750) σύμφωνα με την οποία κάποια απ’ τα νεφελώματα που παρατηρούνταν ίσως να αποτελούν μακρινά «σύμπαντα νησιά» (island universes). Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι πραγματικά ήταν ο Knut Lundmark που πρώτος παρέθεσε στοιχεία ότι ο γαλαξίας της Ανδρομέδας θα πρέπει να είναι διαφορετικός γαλαξίας από τον δικό μας, υπολογίζοντας την απόστασή του βασισμένος σε μετρήσεις φωτεινότητας καινοφανών αστέρων. Ο υπολογισμός αυτός δε θεωρείται ως καθοριστική απόδειξη, καθώς τα σφάλματα στις μετρήσεις των καινοφανών αστέρων ήταν αρκετά μεγάλα. ↩

    [6] Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας σαν τον δικό μας, με περίπου την ίδια μάζα, διάμετρο περίπου 47 kpc και βρίσκεται σε απόσταση 2.5 εκατομμυρίων ετών φωτός. Είναι ο κοντινότερος γαλαξίας στον δικό μας και είναι ορατός δια γυμνού οφθαλμού. Το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης απέχει περίπου 320 εκατομμύρια έτη φωτός απ’ το γαλαξία μας κι αποτελείται από περισσότερους από 1000 γαλαξίες με σχετικά μικρή μεταξύ τους απόσταση, πράγμα που το καθιστά ιδανικό για παρατηρήσεις. ↩

    [7] Η απόδειξη της περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας έγινε 18 χρόνια πριν την ανακάλυψη της περιστροφής του δικού μας γαλαξία από τον Oort, το 1932. ↩

    [8] Το parsec (paralax arcsecond) είναι η μεγαλύτερη μονάδα μέτρησης αποστάσεων στην αστρονομία και ισούται με 3.26 έτη φωτός ή 31 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα. ↩

    [9] Η ιστορία των μετρήσεων των γαλαξιακών καμπυλών περιστροφής χρήζει ένα άρθρο από μόνη της. Παραπέμπουμε τον ενδιαφερόμενο αναγνώστη στο πολύ ενδελεχές άρθρο (Βertone and Hooper, 2018). ↩EΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε το Δρ. Νίκο Ρομποτή για τις επισημάνσεις του στο αρχικό κείμενο και τον Απόστολο Κυριαζή για την παραχώρηση της κεντρικής φωτογραφίας του άρθρου.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΗ

    Bartusiak, M., 2022. H Μέρα που ανακαλύψαμε το Σύμπαν. ΡΟΠΗ: Θεσσαλονίκη

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Panek, R., 2011. The 4% Universe, Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Houghton Mifflin Harcourt: Boston.

    ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

    Babcock, H., 1939. The rotation of the Andromeda Nebula. Lick Observatory bulletin ; no. 498, DOI: 10.5479/ADS/bib/1939LicOB.19.41B

    Bertone, G., Hooper, D., 2018. A history of Dark Matter. Rev. Mod. Phys. 90, 45002, DOI: 10.1103/RevModPhys.90.045002

    Hubble, E., 1929. A spiral nebula as a stellar system, Messier 31. Astrophys. J. 69. DOI: 10.1086/143167

    Hubble, E., and Humason, M., L., 1931. A New Interpretation of the Hubble Law. Astrophys. J. 74, 43. DOI: 10.1086/143323

    Kapteyn, J., C., 1922. First Attempt at a Theory of the Arrangement and Motion of the Sidereal System. Astrophysical Journal 55, p.302. DOI: 10.1086/142670

    Kelvin, B., 1904, Baltimore lectures on molecular dynamics and the wave theory of light, https://archive.org/details/baltimorelecture00kelviala

    Lundmark, Κ., 1930. Über die Bestimmung der Entfernungen, Dimensionen, Massen und Dichtigkeit fur die nächstgelegenen anagalacktischen Sternsysteme. Lund Medd. No125, 1. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1930MeLuF.125….1L/abstract

    Oort, J., H., 1927.Observational Evidence Confirming Lindblad’s Hypothesis of a Rotation of the Galactic System. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 87, 404–428. doi:10.1093/mnras/87.5.404

    Oort, J., H., 1932. The force exerted by the stellar system in the direction perpendicular to the galactic plane and some related problems. Bull. Astron. Inst. Netherlands 6, pp. 249-287. https://cds.cern.ch/record/436532?ln=en

    Pease, F., G., 1918. The Rotation and Radial Velocity of the Central Part of the Andromeda Nebula. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 4(1), 21–24. doi:10.1073/pnas.4.1.21

    Poincare, H., 1906. The Milky Way and the Theory of Gases. Popular Astronomy 14, pp.475-488. https://adsabs.harvard.edu/full/1906PA…..14..475P

    Rubin, V., C., and Ford, W., K., Jr., 1970. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophys. J. 159, 379. DOI: 10.1086/150317

    Rubin, V., C., Thonnard, N., and Ford, W., K., Jr., 1978. Extended rotation curves of high-luminosity spiral galaxies. IV. Systematic dynamical properties, Sa -> Sc. Astrophysical Journal 225, L107-L11. DOI: 10.1086/182804

    Slipher, V., M., 1914. Spectrographic Observations of Nebulae. Pop. Astron. 23, 21–24. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1915PA…..23…21S/abstract

    Zwicky, F., 1933. Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln. Helv. Phys. Acta 6, 110–127. https://inspirehep.net/literature/8352

    Zwicky, F., 1937. On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Astrophys. J. 86, 217. DOI: 10.1086/143864
    Ο Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος είναι Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ, διδάκτωρ πειραματικής φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων του Πανεπιστημίου Humboldt του Βερολίνου. Έχει διατελέσει μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο Iowa των ΗΠΑ και κύριος ερευνητής ανεξάρτητης ερευνητικής ομάδας Emmy Noether στο Πανεπιστήμιο Freiburg της Γερμανίας. Εργάζεται απ’ το 2010 στο πείραμα ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) με καίριες συνεισφορές στην αναζήτηση νέας φυσικής, και συγκεκριμένα προτύπων που σχετίζονται με την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας. Έχει διατελέσει συντονιστής της ομάδας εργασίας του LHC για την αναζήτηση σκοτεινής ύλης καθώς και διαφόρων άλλων ομάδων εργασίας στο πείραμα ATLAS.

  • Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – Σύμφωνα με τη Φυσική

    Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – Σύμφωνα με τη Φυσική

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ Ν. ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ

    ISBN 978–618–230–123–4
    Διαστάσεις: 17 x 24 cm
    Αριθμός σελίδων: 344
    Τιμή: € 18
    Έτος έκδοσης: 2025Περιγραφή

    Αυτόν τον Κόσμο, που εκτείνεται από το αφάνταστα μικρό μέχρι το αδιανόητα μεγάλο, μπορούμε άραγε να τον κατανοήσουμε; Ναι, απαντά η Φυσική (και τούτο το βιβλίο επιδιώκει να τεκμηριώσει την καταφατική απάντηση), αρκεί να επικεντρωθούμε σε εκείνους τους σχηματισμούς που είναι λίγο-πολύ αυθύπαρκτοι, όπως ένα άτομο ή ένα μόριο ή ένα μεταλλικό αντικείμενο ή ένας πλανήτης ή, ακόμη, και ένα άστρο. Αυτό το Ναι μας υποχρεώνει όμως να δείξουμε πώς προκύπτουν οι ιδιότητες όλων αυτών των σχηματισμών: Τελικά από τρία μόνο είδη μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν σταδιακά την ύλη με την παρέμβαση των ελκτικών δυνά¬μεων, κυρίως της ηλεκτρικής και της βαρυτικής· πέρα από τα σωματίδια και τις δυνάμεις χρειάζεται και κάτι άλλο που είναι «εκ των ων ουκ άνευ».

    Αυτό το κάτι άλλο υποδηλώνει την ύπαρξή του από το γεγονός ότι οι ελκτικές δυνάμεις παύουν από κάποιο σημείο και πέρα να φέρνουν ολοένα και πιο κοντά το ένα στο άλλο τα μικροσκοπικά σωματίδια. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο σε όλα τα άτομα του υδρογόνου, αντί να πέσει πάνω στο πρωτόνιο, παραμένει πάντοτε σε μια σταθερή μέση απόσταση από αυτό, η οποία είναι περίπου 50.000 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος του πρωτονίου. Αυτό το κάτι άλλο εξηγεί επίσης γιατί ο όγκος ενός λευκού νάνου γίνεται ο μισός όταν η μάζα του διπλασιάζεται.

    Ποιο είναι λοιπόν αυτό το κάτι άλλο; Είναι ο «δυσκολοχώνευτος» δυισμός κύματος-σωματιδίου (ΚΣΔ). Το γεγονός, δηλαδή, ότι τα μικροσκοπικά σωματίδια δεν ακολουθούν τροχιά, αλλά κινούνται σαν να ήταν κύματα. Από τον ΚΣΔ έπεται η ακατάπαυστη κίνηση των μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν την ύλη και η συνακόλουθη απωστική πίεση που ασκούν αυτά, η οποία, από κάποιο σημείο και πέρα, εξισορροπεί τη συμπίεση των δυνάμεων και αποκαθιστά την ισορροπία.

    Η εικόνα του εξωφύλλου συμπυκνώνει το περιε¬χόμενο του βιβλίου ως εξής:

    • Οι πυρηνικές δυνάμεις (κίτρινη περιοχή) έλκουν (ή και μετατρέπουν) μικροσκοπικά αδιαί¬ρετα σωματίδια (τα u, d) και σχηματίζουν πρωτόνια, νετρόνια και πυρήνες.
    • Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (πράσινη περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει πυρήνες και ηλεκτρόνια (e) και σχηματίζει άτομα, μόρια, …, ανθρώπους, …, φεγγάρια και (εν μέρει) πλανήτες.
    • Η βαρυτική δύναμη (γαλάζια περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει άτομα και μόρια και σχηματίζει (εν μέρει) πλανήτες, και ενεργά άστρα, λευκούς νάνους, αστέρες νετρονίων, γαλαξίες, …
    • Στη συμπίεση αυτών των ελκτικών δυνά¬μεων αντιτίθεται μια ακατάπαυστη κίνηση (κυρίως των ηλεκτρονίων) που αποκαθιστά την κατάσταση ισορροπίας της ύλης και τις όποιες ιδιό¬τητές της.
    • Αυτή η τόσο σημαντική ακατάπαυστη κίνηση (χάρη στην οποία υπάρχουμε) προκύπτει σχεδόν πάντα από την αρχή της απροσδιοριστίας και την απαγορευτική αρχή. Ο τύπος στο κέντρο δίνει την ενέργειά της.

    Bιογραφικά Συγγραφέα

    Ο Ελευθέριος Ν. Οικονόμου είναι Έλληνας θεωρητικός φυσικός και ομότιμος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης. Συνέβαλε στη δημιουργία του Πανεπιστημίου Κρήτης και διετέλεσε πρώτος Διευθυντής και Πρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) (1983–2004).

  • Παρουσίαση του βιβλίου «Η δίκη του Γαλιλαίου»

    Παρουσίαση του βιβλίου «Η δίκη του Γαλιλαίου»

    To InScience σας παρουσιάζει το βιβλίο «Η ΔΙΚΗ ΤΟΥ ΓΑΛΙΛΑΙΟΥ». Συμμετέχουν ο συγγραφέας Κώστας Γαβρόγλου Ομότιμος Καθηγητής του Πανεπιστημίου της Αθήνας, ο Θόδωρος Αραμπατζής, Καθηγητής Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Αθήνας και ο Κωνσταντίνος Ταμπάκης, Κύριος Ερευνητής στην Ιστορία των Επιστημών και της Τεχνολογίας στο Ινστιτούτο Ιστορικών Ερευνών του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών. Η παρουσίαση διοργανώθηκε την Πέμπτη 8 Μαΐου 2025.

    Περίληψη:

    Μέσα από τη συζήτηση με τους δύο συνομιλητές, θα γίνει ένας σχολιασμός της περιόδου από τις πρώτες τηλεσκοπικές ανακαλύψεις του Γαλιλαίου το 1609 μέχρι και την ολοκλήρωση της Δίκης το 1633. Στόχος είναι η ανάδειξη του πλαισίου στο οποίο διαδραματίζονται οι επιστημονικές, φιλοσοφικές, θεολογικές, πολιτικές και ιδεολογικές διαμάχες της εποχής, που καταλήγουν στη Δίκη.

    Το βιβλίο περιέχει, επίσης, και ένα κεφάλαιο για τη Ζωή της Δίκης μετά τη Δίκη, στο οποίο σκιαγραφούνται οι σημαντικότερες εξελίξεις στη διάρκεια των 350 ετών από το τέλος της Δίκης, όταν πολλοί λόγιοι θέλησαν να υπερασπιστούν τον Γαλιλαίο, ενώ άλλοι θέλησαν να επιχειρηματολογήσουν πως η Εκκλησία έπραξε καλώς.

    Στο βιβλίο προβάλλεται η θέση πως το πρόβλημα για την Καθολική Εκκλησία δεν ήταν τόσο η θεολογικά αιρετική άποψη της κίνησης της Γης, όσο το ό,τι, μία νέα κοσμολογία, θα οδηγούσε σε ένα νέο τρόπο θέασης της φύσης. Και τότε ο αριστοτελισμός, ο οποίος είχε ήδη δεχτεί πολλά πυρά, θα κατέρρεε. Μαζί του, θα κατέρρεε και το σύστημα ιδεών που αποτελούσε το υπόβαθρο της τεράστιας κοινωνικής εξουσίας των φιλοσόφων και θεολόγων. Οι αστρονόμοι, οι μαθηματικοί, και οι τεχνίτες, θα άρχιζαν να διαδραματίζουν κυρίαρχο ρόλο. Θα άλλαζαν οι κοινωνικοί συσχετισμοί, με νέες κοινωνικές διαστρωματώσεις. Αυτά ήθελε να αποφύγει η εκκλησιαστική εξουσία τον 17ο αιώνα, και οι παραδοσιακές ερμηνείες των Γραφών τής έδιναν το καλύτερο άλλοθι για να μην αλλάξει η τάξη των πραγμάτων.

    ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ

    Ο Κώστας Γαβρόγλου γεννήθηκε το 1947 στην Κωνσταντινούπολη, όπου και ολοκλήρωσε τις εγκύκλιες σπουδές του. Συνέχισε τις σπουδές του στην Αγγλία, στα Πανεπιστήμια Lancaster, Cambridge και στο Πανεπιστήμιο του Λονδίνου (Imperial College) από όπου και έλαβε το διδακτορικό του στη θεωρητική φυσική.

    Εργάστηκε στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, στα πανεπιστήμια Βοστώνης, Harvard, MIT, Cambridge, Pennsylvania και Istanbul Technical University, στο ΕΜΠ και στο Πανεπιστήμιο Αθηνών.

    Σήμερα είναι ομότιμος καθηγητής ιστορίας των επιστημών του Πανεπιστημίου Αθηνών.

    Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι η ιστορία της φυσικής και της χημείας του 19ου και 20ού αιώνα. Μερικά από τα βιβλία του είναι Neither Physics nor Chemistry: A history of quantum chemistry (μαζί με την Ana Simoes) (M.I.T. Press, 2011), History of Artificial Cold: Scientific, Technological and Cultural Aspects (Springer Publishers, 2014), Τα Κοινά της Παιδείας: σκέψεις για το παρελθόν και μέλλον του κυβερνητικού εγχειρήματος της αριστεράς, (Θεμέλιο 2021).

    Από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης κυκλοφορούν τα βιβλία «Το παρελθόν των επιστημών ως ιστορία (2004)», «Το Πανεπιστήμιο Αθηνών και η Ιστορία του 1837-1937» (μαζί με τον Βαγγέλη Καραμανωλάκη και τη Χάιδω Μπάρκουλα), ενώ μαζί με τον Θόδωρο Αραμπατζή επιμελήθηκαν τα βιβλία «Ο Αϊνστάιν και η Σχετικότητα» (2005) και «Η κρίση στη φυσική και η Δημοκρατία της Βαϊμάρης – Η πολιτισμική ιστορία της κβαντικής θεωρίας» (2012).

    Το 2020 έλαβε το βραβείο Gustav Neuenschwander της Ευρωπαϊκής Εταιρείας Ιστορίας των Επιστημών για το σύνολο του έργου του.

    Το 2015 εκλέχθηκε βουλευτής Επικρατείας του ΣΥ.ΡΙ.Ζ.Α. και την περίοδο 2016-2019 διετέλεσε Υπουργός Παιδείας, Έρευνας και Θρησκευμάτων.

    Ερωτήσεις

    1:01:28 – Χρησιμοποιήθηκαν για τη συγγραφή του βιβλίου πηγές που δεν είχαν αξιοποιηθεί έως σήμερα στη βιβλιογραφία;

    1:03:09 – Ο Γαλιλαίος στις εργασίες του παραπέμπει σε αρχαίες πηγές για τις οποίες πίστευε πως πιθανόν να στήριζαν τα συμπεράσματα του;

    1:04:42 – Το έργο του Γαλιλαίου «έφτασε» στην Ανατολική Ορθόδοξη Εκκλησία; Αν ναι, ποια ήταν η αντίδραση της;

    1:08:32 – Στη συζήτηση έγινε αρκετές φορές αναφορά στο Τάγμα των Ιησουιτών. Τα υπόλοιπα Τάγματα της Καθολικής Εκκλησίας έμεναν μακρυά από από τις επιστημονικές αντιπαραθέσεις;

    1:10:55 – Πώς ακριβώς αντέδρασε η ευρωπαϊκή διανόηση στην καταδίκη του Γαλιλαίου;

    1:15:00 – Μετά το πέρας της δίκης η στάση του Γαλιλαίου μπορεί να θεωρηθεί μετάνοια ή στρατηγική υποχώρηση;

    ​​1:17:12 – Ο Γαλιλαίος συχνά παρουσιάζεται σαν μια ατομικότητα απέναντι σε ένα σύστημα εξουσίας. Εάν τον δούμε όμως, όπως μας προτείνει ο Μπιατζόλι ή ο Φαγιεράμπεντ, σαν κομμάτι ενός άλλου συστήματος της αυλής των Μεδίκων και κατά συνέπεια ως μέρος του λόγου μιας αναδυόμενης αστικής τάξης μπορεί να μας προσδώσει μια νέα οπτική της δίκης.

    1:19:12 – Υπάρχει κάποια αναφορά σε σκέψεις του Γαλιλαίου να εγκαταλείψει την Ιταλία πριν τη δίκη;

    1:20:13 – Ο κ. Γαβρόγλου αναφέρθηκε σε έναν Borgia, ο οποίος έγραψε επιστολή εναντίον του Πάπα. Ήταν ο Caspar Borgia, ένας εκ των τριών της επιτροπής που δεν υπέγραψε την καταδίκη;

    1:22:11 – Με αφορμή την αναφορά του κ Γαβρόγλου ότι ο Γαλιλαίος ήταν «καβγατζής» και ότι δεν είχε νόημα να μην αξιοποιήσει την υποστήριξη των Ιησουιτών. Υπάρχει περίπτωση, εν μέρει, να οφείλεται στο ότι οι Ιησουίτες ενίσχυαν το κύρος των Μαθηματικών, ενώ ο Γαλιλαίος ήθελε να θεωρηθεί Φιλόσοφος;

    1:25:19 – Τελικά, ήταν μια δίκαιη δίκη;

  • ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ Ή ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΒΑΡΥΤΗΤΑ;

    ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ Ή ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΒΑΡΥΤΗΤΑ;

    To σμήνος γαλαξιών Bullet, στο οποίο δύο σμήνη γαλαξιών συγκρούονται και διαπερνούν το ένα το άλλο. Ο τρόπος με τον οποίο διαχωρίζεται η στερεά ύλη (μπλε) και η αέρια μάζα (κόκκινο) των δύο σμηνών αποτελεί για πολλούς την ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, καθότι το φαινόμενο αυτό είναι αδύνατον να εξηγηθεί με μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας.

    Δρ. Αντώνης Αντωνίου

    Γλωσσική επιμέλεια: Κωνσταντίνα Γεωργούλια

    Στο άρθρο αυτό, παρουσιάζουμε τις σημαντικότερες επιστημονικές εξελίξεις, οι οποίες οδήγησαν στην εισαγωγή της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης στο καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο για τη φύση και τη σύσταση του Σύμπαντος. Μια σύντομη ιστορική αναδρομή στα γεγονότα που διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο για την καθολική αποδοχή της σκοτεινής ύλης από την επιστημονική κοινότητα καθιστά σαφείς τους λόγους για τους οποίους η υπόθεση αυτή επικράτησε εντέλει έναντι μιας εναλλακτικής υπόθεσης, η οποία βασιζόταν σε μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας.ΠΟΣΕΙΔΩΝΑΣ ΚΑΙ ΗΦΑΙΣΤΟΣ

    Πίσω στο μακρινό 1821, ένας Γάλλος αστρονόμος με το όνομα Alexis Bouvard προχωρούσε στη δημοσίευση λεπτομερών αστρονομικών πινάκων για τις τροχιές ορισμένων πλανητών του ηλιακού συστήματος, μεταξύ των οποίων και ενός νέου πλανήτη, του Ουρανού, ο οποίος είχε ανακαλυφθεί λίγα χρόνια πριν. Ωστόσο, σε αντίθεση με τους άλλους πλανήτες, οι οποίοι κινούνταν σύμφωνα με τους υπολογισμούς του με βάση τη νευτώνεια μηχανική, ο Bouvard σύντομα συνειδητοποίησε, μέσω προσεκτικών παρατηρήσεων, ότι η τροχιά του Ουρανού δεν συνέπιπτε με τους αστρονομικούς του πίνακες. Η εξήγηση που έδωσε ο ίδιος γι’ αυτή την ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης ήταν η ύπαρξη ενός επιπρόσθετου πλανήτη ο οποίος, αν και δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμα, ήταν πιθανότατα υπεύθυνος για τις ανωμαλίες στην τροχιά του Ουρανού. Λίγα χρόνια αργότερα, μετά τον θάνατο του Bouvard, ένας άλλος Γάλλος αστρονόμος και μαθηματικός, ο Urbain Le Verrier, προέβλεψε μέσω μαθηματικών υπολογισμών την ακριβή θέση αυτού του υποθετικού νέου πλανήτη, τον οποίο ονόμασε Ποσειδώνα. Και πράγματι, το 1846, ο Johann Galle και ο μαθητής του Heinrich d’ Arrest, κάνοντας συστηματικές παρατηρήσεις στο αστεροσκοπείο του Βερολίνου, κατάφεραν να εντοπίσουν τον υποθετικό αυτό πλανήτη, καθιστώντας με αυτό τον τρόπο τον Ποσειδώνα τον πρώτο πλανήτη του οποίου η θέση προσδιορίστηκε με βάση μαθηματικούς υπολογισμούς πριν από την ανακάλυψή του.

    Περίπου μία δεκαετία αργότερα, όντας επηρεασμένος από την επιτυχία της πρόβλεψης του Ποσειδώνα, ο Le Verrier θα κάνει μία ακόμα παρόμοια πρόβλεψη, αυτή τη φορά για να εξηγήσει τις ανωμαλίες στην τροχιά του πλανήτη Ερμή. Όπως και στην περίπτωση του Ουρανού, η παρατηρηθείσα τροχιά του Ερμή παρουσίαζε μικρές αποκλίσεις από τις προβλέψεις της νευτώνειας μηχανικής και η εξήγηση του Le Verrier ήταν πως υπάρχει ένας πλανήτης μεταξύ του Ερμή και του Ήλιου, ο οποίος, αν και δεν είχε ακόμα παρατηρηθεί, ήταν υπεύθυνος γι’ αυτές τις αποκλίσεις. Ωστόσο, σε αντίθεση με τον Ποσειδώνα, ο νέος αυτός υποθετικός πλανήτης, τον οποίο ο Le Verrier ονόμασε Ήφαιστο, δεν εντοπίστηκε ποτέ, παρά τις συστηματικές παρατηρήσεις στα χρόνια που ακολούθησαν. Αντ’ αυτού, χρειάστηκε να περάσουν περίπου 60 ολόκληρα χρόνια μέχρις ότου ο Άλμπερτ Αϊνστάιν να παρουσιάσει το 1915 μια καινούρια θεωρία βαρύτητας, τη γενική θεωρία της σχετικότητας (ΓΘΣ), με βάση την οποία μπορούσε πλέον να γίνει κατανοητή η τροχιά του Ερμή. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, οι παρατηρηθείσες αποκλίσεις του πλανήτη Ερμή από τις προβλέψεις της νευτώνειας μηχανικής δεν οφείλονταν σε κάποιον αθέατο πλανήτη, αλλά ήταν αποτέλεσμα της καμπύλωσης του χωροχρόνου από τη μάζα του Ήλιου. Η περίφημη πειραματική επιβεβαίωση της ΓΘΣ, λίγα χρόνια αργότερα, από τον Sir Arthur Eddington κατά την έκλειψη του Ηλίου, τον Μάιο του 1919, στο νησί Πρίνσιπε, υπήρξε αρκετή για να εγκαταλειφθεί η ιδέα της ύπαρξης του Ήφαιστου και μαζί της η θεωρία του Νεύτωνα ως η κατάλληλη θεωρία βαρύτητας για τις προβλέψεις των πλανητικών τροχιών.

    Το ιστορικό αυτό επεισόδιο για τον Ποσειδώνα και τον Ήφαιστο φέρει αρκετές ομοιότητες με το σύγχρονο πρόβλημα της σκοτεινής ύλης στην κοσμολογία και αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί η συλλογιστική της επιστήμης, όταν υπάρχει ασυμφωνία μεταξύ θεωρητικών προβλέψεων και παρατηρήσεων. Η ειδοποιός διαφορά μεταξύ των περιπτώσεων στις τροχιές του Ουρανού και του Ερμή είναι πως, στην πρώτη περίπτωση, οι ανωμαλίες αποδόθηκαν στην παραμετροποίηση του θεωρητικού μοντέλου και διορθώθηκαν με την εισαγωγή επιπρόσθετης ύλης με τη μορφή ενός πλανήτη διατηρώντας τη θεωρία του Νεύτωνα ανέπαφη, ενώ στη δεύτερη εξομαλύνθηκαν μόνο όταν η αρχική θεωρία αντικαταστάθηκε με μια νέα.

    Υπό μία έννοια, η περίπτωση της σκοτεινής ύλης είναι στην ουσία μια σύγχρονη αναβίωση των επεισοδίων του Ποσειδώνα και του Ήφαιστου. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, η υπόθεση της σκοτεινής ύλης εισήχθη σταδιακά κατά τις δεκαετίες του 1960 και 1970 για την εξήγηση διαφόρων αστρονομικών και κοσμολογικών φαινομένων, τα οποία εκ πρώτης όψεως παρουσίαζαν αποκλίσεις από τις προβλέψεις της νευτώνειας μηχανικής και κατ’ επέκταση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Όπως και στην περίπτωση των ανωμαλιών στο περιήλιο του Ερμή, παράλληλα με την υπόθεση της σκοτεινής ύλης έγιναν, επίσης, κάποιες προσπάθειες για την εξήγηση αυτών των ανωμαλιών μέσω μιας πιθανής τροποποίησης των νόμων της βαρύτητας, με πιο αξιόλογη τη θεωρία της Τροποποιημένης Νευτώνειας Δυναμικής (MOND – Modified Newtonian Dynamics) του Mordehai Milgrom (Milgrom, 1983).

    Επομένως, δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί με έναν άμεσο τρόπο σε ένα ελεγχόμενο πειραματικό περιβάλλον, το ερώτημα που προκύπτει είναι πώς μπορούμε να γνωρίζουμε αν οι ανωμαλίες αυτές οφείλονται όντως σε μια μορφή αθέατης ύλης ή σε λανθασμένες προβλέψεις της ΓΘΣ. Στο άρθρο αυτό, θα δούμε πως παρόλο που προς το παρόν δεν υπάρχει οριστική απάντηση στο συγκεκριμένο ερώτημα, ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, η επιστημονική κοινότητα είχε στη διάθεσή της ισχυρά κίνητρα για να ακολουθήσει την τακτική του Le Verrier και να εισηγηθεί την ύπαρξη μιας ξεχωριστής μορφής ύλης, αγνοώντας στην ουσία την πιθανότητα αντικατάστασης της ΓΘΣ με μια καινούρια θεωρία βαρύτητας. Και παρόλο που το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν έχει ακόμα ανιχνευθεί άμεσα σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων, η επιστημονική κοινότητα εξακολουθεί να έχει πολύ καλούς λόγους να πιστεύει πως η σκοτεινή ύλη είναι υπαρκτή και ως εκ τούτου μια πιθανή τροποποίηση της βαρύτητας με σκοπό την εξήγηση των φαινομένων που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη δεν αποτελεί βιώσιμη επιλογή.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Ο όρος «σκοτεινή ύλη» είναι ένας γενικός όρος που αναφέρεται σε μια υποθετική μορφή ύλης, η οποία αποτελείται από ένα ή περισσότερα σωματίδια ή ακόμα και από αθέατα ουράνια σώματα μεγάλου μεγέθους (τα λεγόμενα MACHOs – Massive Compact Halo Objects), όπως αρχέγονες μελανές οπές, αστέρες νετρονίων κλπ.

    Σε αντίθεση με τη συνηθισμένη ύλη, η οποία αλληλεπιδρά μέσω των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης (τη βαρυτική, την ηλεκτρομαγνητική, την ισχυρή και την ασθενή), η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά κυρίως μόνο μέσω της βαρυτικής δύναμης λόγω της μάζας της, επηρεάζοντας με αυτό τον τρόπο τις κινήσεις των ουράνιων σωμάτων που βρίσκονται κοντά της. Επομένως, η σκοτεινή ύλη δεν ακτινοβολεί και ως εκ τούτου δεν είναι άμεσα ορατή μέσω τηλεσκοπίων σε κανένα ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Μπορεί, ωστόσο, να ανιχνευθεί με έναν έμμεσο τρόπο μέσω της βαρυτικής επίδρασης που έχει πάνω σε ορατά σώματα, όπως αστέρες, γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, και παρόλο που δεν γνωρίζουμε την ακριβή της φύση, μπορούμε μέσω αυτών των έμμεσων παρατηρήσεων, σε συνδυασμό με την απαραίτητη θεωρητική γνώση, να προσδιορίσουμε κάποιες από τις ιδιότητές της. Πράγματι, με την προϋπόθεση ότι η ΓΘΣ είναι η ορθή θεωρία βαρύτητας (τουλάχιστον σε κοσμολογικές κλίμακες), γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 27% της συνολικής μάζας-ενέργειας του σύμπαντος, με το υπόλοιπο 68% να αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια (που αν και είναι, επίσης, «σκοτεινή» αποτελεί ξεχωριστή μορφή ύλης και αφορά εντελώς διαφορετικά φαινόμενα) και μόλις 5% από τη συνηθισμένη βαρυονική ύλη από την οποία αποτελούμαστε εμείς, ο πλανήτης μας, αλλά και το τεράστιο πλήθος των ουράνιων σωμάτων που φωτίζει τον νυκτερινό ουρανό. Επιπλέον, αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται όντως από σωματίδια, τότε τα σωματίδια αυτά είναι «κρύα», κινούνται δηλαδή με χαμηλές ταχύτητες σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός και η μάζα τους είναι μεταξύ 10-3 και 107  eV.

    ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

    Παρόλο που η συλλογιστική για την εισαγωγή της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με την υπόθεση του Ποσειδώνα και του Ήφαιστου, η σκοτεινή ύλη δεν προέκυψε ως πιθανή εξήγηση μιας συγκεκριμένης ανωμαλίας στις κοσμολογικές παρατηρήσεις, αν και συχνά παρουσιάζεται ως τέτοια. Στην πραγματικότητα, η εισαγωγή της σκοτεινής ύλης στο καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο ήταν αποτέλεσμα μιας σύνθετης διαδικασίας σκέψης, η οποία διήρκησε πολλές δεκαετίες και βασίστηκε σε μια σειρά διαφορετικών φαινομένων και θεωρητικών εξελίξεων στην κοσμολογία. Όπως θα δούμε, κάποιες από αυτές τις ανωμαλίες θα μπορούσαν δυνητικά να εξηγηθούν και με μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας, όπως και στην περίπτωση του περιηλίου του Ερμή, ωστόσο ο βαθμός δυσκολίας αυτού του εγχειρήματος και η τεράστια επιτυχία της ΓΘΣ υπήρξαν καθοριστικοί αποτρεπτικοί παράγοντες. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα με τη σειρά.

    Η κρυμμένη μάζα στο σμήνος Coma: Η πρώτη σύγχρονη αναφορά στην υπόθεση της σκοτεινής ύλης αποδίδεται στον Αυστριακό φυσικό Fritz Zwicky (Zwicky, 1933), o οποίος παρατηρώντας το σμήνος γαλαξιών Coma (Εικ. 1) ανακάλυψε ότι οι γαλαξίες στις εξωτερικές περιοχές του σμήνους κινούνταν με πολύ υψηλότερες ταχύτητες από τις αναμενόμενες βάσει της ορατής μάζας του σμήνους και των προβλέψεων της νευτώνειας μηχανικής. Ο Zwicky απέδωσε την ανωμαλία αυτή στην ύπαρξη μιας μορφής σκοτεινής ύλης, η μάζα της οποίας, σύμφωνα με τους (λανθασμένους, όπως αποδείχτηκε αργότερα) υπολογισμούς του, ήταν 400 φορές μεγαλύτερη από την ορατή μάζα. Η δημοσίευση του Zwicky συχνά αναφέρεται ως η σύγχρονη ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, ωστόσο αξίζει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματά του κρίθηκαν από την επιστημονική κοινότητα ως αναξιόπιστα και οι προαναφερθείσες αποκλίσεις αποδόθηκαν σε σφάλματα μετρήσεων. Χρειάστηκε να περάσουν περίπου άλλα 20 χρόνια μέχρι να επαναληφθούν οι συγκεκριμένες μετρήσεις από τους Schwarzchild (Schwarzchild, 1954) και Oort (Oort, 1960) με τα ίδια αποτελέσματα. Ωστόσο, και σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ερευνητές εξέφραζαν τις επιφυλάξεις τους για την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων λόγω της ύπαρξης μεγάλων αβεβαιοτήτων στις μετρήσεις της ορατής μάζας του σμήνους. Με βάση τις σημερινές και πιο ακριβείς μετρήσεις, γνωρίζουμε ότι η μάζα της σκοτεινής ύλης στο σμήνος Coma είναι περίπου 6 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα της ορατής ύλης.

    Εικόνα 1: Το σμήνος γαλαξιών Coma.

    Οι καμπύλες γωνιακών ταχυτήτων: Οι τεχνολογικές εξελίξεις στη ραδιοαστρονομία κατά τη δεκαετία του 1970 άνοιξαν νέους ορίζοντες στη μελέτη γαλαξιών καθώς, μεταξύ άλλων, επέτρεπαν τη λεπτομερή ανάλυση των ταχυτήτων περιστροφής των αερίων και των άστρων στους γαλαξίες. Σύμφωνα με τη νευτώνεια βαρύτητα (η οποία στις κλίμακες γαλαξιών αποτελεί μια πολύ καλή προσέγγιση της πιο ακριβούς ΓΘΣ), η ταχύτητα περιστροφής αυτών των σωμάτων ελαττώνεται όσο αυξάνεται η απόστασή τους από το κέντρο του γαλαξία, καθώς η μεγαλύτερη μάζα βρίσκεται συγκεντρωμένη κοντά στον πυρήνα. Ωστόσο, μια σειρά παρατηρήσεων από τους Kenneth Freeman (Freeman, 1970), Vera Rubin και Kent Ford (Rubin & Ford, 1970) και άλλους, κυρίως από τον γειτονικό γαλαξία της Ανδρομέδας, κατέδειξαν, προς έκπληξη της επιστημονικής κοινότητας, ότι οι γωνιακές ταχύτητες δεν μειώνονται συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο, αλλά παραμένουν σχετικά σταθερές. Όπως και στην περίπτωση του σμήνους Coma, οι ερευνητές απέδωσαν αυτή την ανωμαλία στην πιθανή ύπαρξη επιπρόσθετης αθέατης ύλης στους γαλαξίες, χωρίς ωστόσο να προχωρήσουν σε καμία εισήγηση για την πιθανή φύση της ύλης αυτής.

    Εικόνα 2: Η καμπύλη γωνιακής ταχύτητας του γαλαξία της Ανδρομέδας (Μ31), όπως εμφανίζεται στο άρθρο των Rubin και Ford (Rubin & Ford, 1970). Σε αντίθεση με την πρόβλεψη της νευτώνειας μηχανικής για κατακόρυφη πτώση της ταχύτητας συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο του γαλαξία, οι ταχύτητες περιστροφής των μελών του γαλαξία μένουν σχετικά σταθερές.

    Η σταθερότητα των σπειροειδών γαλαξιών: Την ίδια δεκαετία, η κατακόρυφη αύξηση της διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύος σε κοσμολογικές έρευνες επέτρεψε για πρώτη φορά τη λεπτομερή ανάλυση της συμπεριφοράς γαλαξιών σε ψηφιακές προσομοιώσεις (Miller & Prendergast, 1968; Ηohl, 1971), φέρνοντας στην επιφάνεια μία ακόμα ανωμαλία. Οι προσομοιώσεις αυτές έδειξαν ότι σπειροειδείς γαλαξίες τείνουν να εξελίσσονται σε ελλειψοειδείς γαλαξίες και, επομένως, θα έπρεπε να έχουν διαφορετικό οπτικό αποτύπωμα (Εικ. 3). H κύρια διαφορά μεταξύ των δύο αυτών ειδών γαλαξία είναι ότι στους σπειροειδείς γαλαξίες η ελκτική δύναμη της βαρύτητας προς το κέντρο του γαλαξία εξουδετερώνεται από την περιφορά των άστρων γύρω από το κέντρο λόγω της φυγόκεντρου δύναμης, ενώ στους ελλειψοειδείς η έλξη της βαρύτητας εξουδετερώνεται από τις τυχαίες (μη κυκλικές) κινήσεις των άστρων, οι οποίες δημιουργούν ένα είδος πίεσης με αντίθετη φορά. Το πρόβλημα, ωστόσο, ήταν ότι γαλαξίες όπως ο δικός μας Γαλαξίας, που προϋπήρχαν αρκετά για να επιδείξουν αυτή τη συμπεριφορά, δεν έμοιαζαν με ελλειψοειδή συστήματα που υποστηρίζονται από πίεση. Αντ’ αυτού, η περιστροφή των άστρων γύρω από το κέντρο του γαλαξία φαινόταν αρκετά κυκλική, υποδεικνύοντας ένα σταθερό σύστημα που υποστηρίζεται από την περιστροφή των μελών του και όχι από την εσωτερική πίεση. Το 1973, οι Ostriker και Peebles κατέδειξαν, σε μια πρωτοποριακή μελέτη, ότι η σταθερότητα των σπειροειδών γαλαξιών μπορεί να επιτευχθεί εφόσον υπάρχει μια «άλως» ύλης στις εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών (ένα μη φωτεινό «φωτοστέφανο», δηλαδή, το οποίο περιβάλλει τους γαλαξίες), χωρίς, ωστόσο, να κάνουν οποιαδήποτε υπόθεση για την ύπαρξη κάποιας εξωτικής μορφής σκοτεινής ύλης για τη σύστασή της. Αντ’ αυτού, υπέθεσαν ότι η άλως αποτελείται από συνηθισμένα αντικείμενα χαμηλής φωτεινότητας, όπως λευκοί νάνοι και αστέρια με πολύ χαμηλή μάζα, προτείνοντας περαιτέρω παρατηρήσεις για τον εντοπισμό αυτών των αντικειμένων (Ostriker & Peebles, 1973).

    Εικόνα 3: Οπτικό αποτύπωμα σπειροειδούς γαλαξία (αριστερά) και ελλειψοειδούς γαλαξία (δεξιά).
    (Πηγή: https://science.nasa.gov/universe/galaxies/types/)

    Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου και το πρόβλημα των κοσμικών δομών: H τέταρτη και ίσως πιο σημαντική εξέλιξη για την εγκαθίδρυση της σκοτεινής ύλης αφορούσε το αποτύπωμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (ΚΑΥ) και τη συσχέτισή του με τον σχηματισμό μεγάλων κοσμικών δομών στο πρώιμο σύμπαν. Σε μια σειρά από πρωτοποριακές μελέτες, ο James Peebles (Peebles, 1965; 1966; 1968), μία από τις σημαντικότερες φιγούρες στη σύγχρονη ιστορία της κοσμολογίας, απέδειξε πως για να παραχθούν στο πρώιμο σύμπαν οι συγκεκριμένες κοσμικές δομές που παρατηρούμε σήμερα, οι βαρυτικές διακυμάνσεις στο πλάσμα φωτονίων-βαρυονίων θα έπρεπε να είναι αρκετά μεγάλες, με αποτέλεσμα να προκαλούν αντίστοιχες ορατές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία της ΚΑΥ. Ωστόσο, παρά τις συστηματικές παρατηρήσεις στο φάσμα της ΚΑΥ, οι διακυμάνσεις αυτές δεν είχαν μέχρι τότε παρατηρηθεί, προκαλώντας έναν νέο «πονοκέφαλο» στην επιστημονική κοινότητα. Λίγα χρόνια αργότερα, η πρώτη πιθανή απάντηση προήλθε από ερευνητές, οι οποίοι υπέδειξαν πως η ύπαρξη ενός οποιουδήποτε σταθερού σωματιδίου με σχετικά μεγάλη μάζα στο πρώιμο σύμπαν αποτελούσε «εξαιρετικό υποψήφιο για την ύλη στις γαλαξιακές άλως και για την επιπλέον μάζα που απαιτείται για να συνδεθούν τα μεγάλα σμήνη γαλαξιών», ενώ ταυτόχρονα μπορούσε δυνητικά να λύσει το πρόβλημα του σχηματισμού των μεγάλων κοσμικών δομών (Gunn et al., 1978). Πράγματι, μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1980, μια σειρά από μελέτες (Bond & Efstathiou, 1984; Peebles, 1982; Vittorio & Silk, 1984) απέδειξε πως η ύπαρξη σωματιδίων με χαμηλή αλληλεπίδραση (όπως ακριβώς η σκοτεινή ύλη), στο πρώιμο σύμπαν, οδηγεί στη δημιουργία των σημερινών κοσμικών δομών, με τρόπο που ήταν συμβατός με τις μέχρι τότε διαθέσιμες μετρήσεις στο φάσμα της ΚΑΥ.

    ΓΙΑΤΙ ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Υπό το φως των σημαντικών αυτών εξελίξεων εύκολα μπορεί κανείς να διαπιστώσει γιατί η υπόθεση της σκοτεινής ύλης είχε ήδη υπερισχύσει στη συνείδηση της επιστημονικής κοινότητας στις αρχές της δεκαετίας του 1980, σε αντίθεση με την πιθανή αντιμετώπιση των ανωμαλιών αυτών με μια ενδεχόμενη τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας. Η υπόθεση της σκοτεινής ύλης παρουσιαζόταν όχι μόνο ως μια πιθανή λύση στις ανωμαλίες σχετικά με τη δυναμική συμπεριφορά γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών (ελλιπής μάζα στο σμήνος Coma, καμπύλες γωνιακών ταχυτήτων στην Ανδρομέδα και σταθερότητα σπειροειδών γαλαξιών), αλλά μπορούσε ταυτόχρονα να επιλύσει και ένα, φαινομενικά ανεξάρτητο, θεμελιώδες πρόβλημα σχετικά με τη δημιουργία κοσμικών δομών στο πρώιμο σύμπαν. Αυτή η «ενοποιητική ισχύς» της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης, η ικανότητα της δηλαδή να επιλύσει μια σειρά από διαφορετικά και φαινομενικά ανεξάρτητα προβλήματα με έναν σχετικά απλό τρόπο, διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο στην επικράτησή της έναντι της υπόθεσης της τροποποιημένης βαρύτητας, η οποία αν και αποτελούσε δυνητικά μια εξήγηση για τα προβλήματα δυναμικής φύσεως, άφηνε στην ουσία άλυτο το πρόβλημα της δημιουργίας μεγάλων κοσμικών δομών. Πράγματι, η εισαγωγή της θεωρίας της Τροποποιημένης Νευτώνειας Δυναμικής του Milgrom, στην αρχική της μορφή το 1983, είχε ως μοναδικό στόχο την εξήγηση των καμπυλών γωνιακών ταχυτήτων και χρειάστηκαν άλλα 6 χρόνια για να γίνει κατορθωτή μια προσαρμογή αυτής της νέας θεωρίας στο πρόβλημα της σταθερότητας των σπειροειδών γαλαξιών (Milgrom, 1989). Η επιτυχής διασύνδεση της εναλλακτικής αυτής θεωρίας με το φάσμα της ΚΑΥ παραμένει για πολλούς μέχρι και σήμερα ένα από τα κυριότερα προβλήματά της (Dodelson, 2011).

    Σε αυτό αξίζει να προσθέσει κανείς και την «αναγέννηση» της ΓΘΣ, τις δεκαετίες του 1960-1970, σε πειραματικό και θεωρητικό επίπεδο, και την ουσιαστική της εγκαθίδρυση στη συνείδηση της επιστημονικής κοινότητας ως η καταλληλότερη θεωρία βαρύτητας για τη μελέτη κοσμολογικών φαινομένων. Κατά τη διάρκεια των δυο αυτών δεκαετιών, η ΓΘΣ πέρασε με απόλυτη επιτυχία μια σειρά πειραματικών ελέγχων, κατορθώνοντας σταδιακά να συνδεθεί με παρατηρησιακά φαινόμενα, κυρίως μετά τις πρώτες ενδείξεις για βαρυτικά κύματα, μετά την ανακάλυψη του πρώτου ζεύγους αστέρων νετρονίων, το 1974 (Hulse & Taylor, 1975). Την πειραματική αυτή θριάμβευση της ΓΘΣ συμπλήρωνε μια σειρά εντυπωσιακών θεωρητικών εξελίξεων σχετικά με τις πιθανές προεκτάσεις της θεωρίας για τη φύση και τη θερμοδυναμική των μελανών οπών (Penrose, 1965; Hawking & Penrose, 1970; Hawking, 1976) και των βαρυτικών κυμάτων (Pirani, 1957; Bondi et al., 1962).

    Στον απόηχο των σημαντικών αυτών εξελίξεων, η σταδιακή εμφάνιση μικρών ανωμαλιών στη δυναμική συμπεριφορά των γαλαξιών δεν ήταν αρκετή για να υπονομεύσει την εμπιστοσύνη της επιστημονικής κοινότητας στη ΓΘΣ και αναμενόμενα η λύση αναζητήθηκε στην πιθανή ύπαρξη επιπρόσθετης αθέατης ύλης. Οποιαδήποτε προσπάθεια αντικατάστασης της ΓΘΣ όφειλε όχι μόνο να εξηγήσει τα νέα αυτά φαινόμενα που σχετίζονταν με τη σκοτεινή ύλη, αλλά και να περάσει με την ίδια επιτυχία το πλήθος των πειραματικών ελέγχων της ΓΘΣ που προηγήθηκαν, γεγονός που φανερώνει την τεράστια δυσκολία ενός τέτοιου εγχειρήματος. Ενδεικτικά, η προτεινόμενη θεωρία του Milgrom, στην αρχική της μορφή, παραβίαζε θεμελιώδεις αρχές της φυσικής, όπως η αρχή διατήρησης της ορμής και η αρχή ισότητας μάζας-ενέργειας του Αϊνστάιν, και αυτός ήταν ένας από τους κύριους λόγους για την απόρριψή της από την πλειοψηφία της επιστημονικής κοινότητας. Με άλλα λόγια, ο Milgrom κατόρθωσε να αναπαραγάγει τις απαιτούμενες καμπύλες ταχυτήτων στους γαλαξίες με επιτυχία, ωστόσο η επιτυχία αυτή ήταν εις βάρος μερικών από τις πιο θεμελιώδεις αρχές στη φυσική. Έναν χρόνο αργότερα, με τη βοήθεια του Jacob Bekenstein, o Milgrom διατύπωσε μια νέα μη σχετικιστική εκδοχή της θεωρίας του με στόχο την επίλυση αυτών των βασικών προβλημάτων (Bekenstein & Milgrom, 1984). Και αυτή η προσπάθεια, ωστόσο, είχε  τα δικά της προβλήματα, όπως η ριζοσπαστική συνέπεια της διάδοσης βαρυτικών κυμάτων σε ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός και η απουσία εξήγησης του φαινομένου των βαρυτικών φακών. Η απαίτηση της θεωρίας για τη διάδοση κυμάτων γρηγορότερα από το φως διατηρήθηκε και στη μεταγενέστερη σχετικιστική εκδοχή της θεωρίας του Bekenstein με το όνομα TeVeS (Bekenstein, 2004), η οποία ωστόσο διαψεύστηκε οριστικά από την παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, το 2017 (Boran et al., 2018). Τα ζητήματα αυτά είναι ενδεικτικά του πόσο πιο δύσκολο ήταν το εγχείρημα της αντικατάστασης της ΓΘΣ με μια καινούργια θεωρία, σε σύγκριση με την υιοθέτηση της υπόθεσης της σκοτεινής ύλης.

    EΠΙΛΟΓΟΣ – Η ΧΑΡΙΣΤΙΚΗ ΒΟΛΗ

    Αναμφίβολα, η οριστική απάντηση στο ερώτημα της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης θα δοθεί μόνο μέσα από την άμεση ανίχνευση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων ή στα λεγόμενα πειράματα άμεσης ανίχνευσης σκοτεινής ύλης, η οποία προς το παρόν δεν έχει ακόμη επιτευχθεί. Ωστόσο, για πολλούς, η ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης μέχρι σήμερα προέρχεται από δύο σημαντικές μεταγενέστερες εξελίξεις, οι οποίες στην ουσία δικαίωσαν την επιλογή της επιστημονικής κοινότητας να αφιερώσει τις προσπάθειές της στη μελέτη της σκοτεινής ύλης από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 και έπειτα. Η πρώτη αφορά τις ακριβείς μετρήσεις στο φάσμα της ΚΑΥ από τους δορυφόρους COBE και WMAP, το 1991 και 2000 αντίστοιχα, οι οποίες επιβεβαίωσαν τις μέχρι τότε μη παρατηρηθείσες μικρές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία της ΚΑΥ εξαιτίας των βαρυτικών διακυμάνσεων του πεδίου της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν. Η δεύτερη αφορά την ανακάλυψη του σμήνους γαλαξιών Bullet Cluster (Clowe et al., 2006), όπου ο διαχωρισμός της ορατής ύλης στην εικόνα του σμήνους μπορεί να εξηγηθεί μόνο με όρους σκοτεινής ύλης και όχι με μια πιθανή τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας (κεντρική εικόνα άρθρου). Εν αναμονή μιας πιθανής μελλοντικής άμεσης ανίχνευσης του σωματιδίου (ή των σωματιδίων) της σκοτεινής ύλης σε ελεγχόμενο πειραματικό περιβάλλον, τα δύο αυτά φαινόμενα αποτελούν μέχρι σήμερα για την πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας την ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Θερμές ευχαριστίες στους Θεόδωρο Αραμπατζή και Νίκο Αλεξίου για τις χρήσιμες εισηγήσεις τους ως προς τη βελτίωση του άρθρου, καθώς επίσης και σε μια ομάδα καλών και υπομονετικών φίλων, οι οποίοι λειτούργησαν ως πρώιμοι αναγνώστες. H συγγραφή του άρθρου έγινε στα πλαίσια επικοινωνίας και διάχυσης του ερευνητικού προγράμματος «ANDROMEDA – The epistemology of dark matter and modified gravity» με αριθμό 101130750, το οποίο χρηματοδοτείται από τo πρόγραμμα HORIZON WIDERA TALENTS της Ευρωπαϊκής Ένωσης.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Bekenstein, J., and Milgrom, M., 1984. Does the missing mass problem signal the breakdown of Newtonian gravity? Astrophysical Journal 286, p. 7-14. https://adsabs.harvard.edu/pdf/1984ApJ…286….7B

    Bekenstein, J., D., 2004. Relativistic gravitation theory for the modified Newtonian dynamics paradigm. Physical Review D 70 (8), 083509. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.70.083509

    Bond, J., R., and Efstathiou, G., 1984. Cosmic background radiation anisotropies in universes dominated by nonbaryonic dark matter. The Astrophysical Journal 285, L45–L48. https://articles.adsabs.harvard.edu//full/1984ApJ…285L..45B/L000045.000.html

    Bondi, H., Van der Burg, M., G., J., and Metzner, A., 1962. Gravitational waves in general relativity, vii. Waves from axi-symmetric isolated system. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences 269 (1336), 21–52. https://doi.org/10.1098/rspa.1962.0161

    Boran, S., Desai, S., Kahya, E., and Woodard, R., 2018. Gw170817 falsifies dark matter emulators. Physical Review D 97 (4), 041501. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.041501

    Clowe, D., Bradac, M., Gonzalez, A., H., Markevitch, M., Randall, S., W., Jones, C., and Zaritsky, D., 2006. A direct empirical proof of the existence of dark matter. The Astrophysical Journal 648 (2), L109. https://iopscience.iop.org/article/10.1086/508162

    Dodelson, S., 2011. The real problem with MOND. International Journal of Modern Physics D 20 (14), 2749–2753. https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218271811020561

    Freeman, K., C., 1970. On the disks of spiral and s0 galaxies. Astrophysical Journal 160, p. 811. 10.1086/150474

    Gunn, J., Lee, B., Lerche, I., Schramm, D., and Steigman, G., 1978. Some astrophysical consequences of the existence of a heavy stable neutral lepton. Astrophysical Journal 223, 1015–1031. 10.1086/156335

    Hawking, S., W., 1976. Black holes and thermodynamics. Physical Review D 13 (2), 191. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.13.191

    Hawking, S., W., and Penrose, R., 1970. The singularities of gravitational collapse and cosmology. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences 314 (1519), 529–548. https://doi.org/10.1098/rspa.1970.0021

    Hohl, F., 1971. Numerical experiments with a disk of stars. Astrophysical Journal 168, p. 343. 10.1086/151091

    Hulse, R., A., and Taylor, J., H., 1975. Discovery of a pulsar in a binary system. The Astrophysical Journal 195, L51–L53.  10.1086/181708

    Milgrom, M., 1983a. A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis. The Astrophysical Journal 270, 365–370. 10.1086/161130

    Milgrom, M., 1989. On stability of galactic disks in the modified dynamics and the distribution of their mean surface brightness. The Astrophysical Journal 338, 121–127. 10.1086/167184

    Miller, R., and Prendergast, K., 1968. Stellar dynamics in a discrete phase space. The Astrophysical Journal 151, 699. 10.1086/149469

    Oort, J., H., 1965. Structure and evolution of the galactic system. Transactions of the International Astronomical Union 12 (1), 789–809. https://www.astro.rug.nl/JHOort/byJHO.html

    Ostriker, J., P., and Peebles, P., J., 1973. A numerical study of the stability of flattened galaxies: or, can cold galaxies survive? The Astrophysical Journal 186, 467–480. 10.1086/152513

    Peebles, P., J., E., 1965. The black-body radiation content of the universe and the formation of galaxies. Astrophysical Journal 142, 1317. 10.1086/148417

    Peebles, P., J., E., 1966. Primordial helium abundance and the primordial fireball. Astrophysical Journal 146, 542. 10.1086/148918

    Peebles, P., 1968. Recombination of the primeval plasma. Astrophysical Journal 153, 1–11. 10.1086/149628

    Peebles, P., J., E., 1982. Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations. Astrophysical Journal 263, L1–L5. 10.1086/183911

    Penrose, R., 1965. Gravitational collapse and space-time singularities. Physical Review Letters 14 (3), 57. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.14.57

    Pirani, F. A., 1957. Invariant formulation of gravitational radiation theory. Physical Review 105 (3), 1089. https://doi.org/10.1103/PhysRev.105.1089

    Schwarzschild, M., 1954. Mass distribution and mass-luminosity ratio in galaxies. Astronomical Journal 59, p. 273. 10.1086/107013

    Rubin, V., C., and Ford, W., K., 1970. Rotation of the andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions. Astrophysical Journal 159, p. 379. 10.1086/150317

    Vittorio, N., and Silk, J., 1984. Fine-scale anisotropy of the cosmic microwave background in a universe dominated by cold dark matter. Astrophysical Journal 285, L39–L43. 10.1086/184361

    Zwicky, F., 1933. Die rotverschiebung von extragalaktischen nebeln. Helvetica Physica Acta 6, p. 110-127. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1933AcHPh…6..110Z/abstract
    Ο Δρ. Αντώνης Αντωνίου είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής (Horizon ERA Postdoctoral Fellow) στο Τμήμα Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Επιστήμης, στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών. Έχει ολοκληρώσει τις σπουδές του στη Φιλοσοφία της Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, και έχει επίσης εργαστεί ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Βόννης, στη Γερμανία. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα αφορούν τις φιλοσοφικές προεκτάσεις των θεωριών της σκοτεινής ύλης και της τροποποιημένης βαρύτητας και τη φιλοσοφία της κοσμολογίας γενικότερα.

  • ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΑΝΕ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ; Το ταξίδι ενός θεωρητικού φυσικού στα όρια της πραγματικότητας

    ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΑΝΕ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ; Το ταξίδι ενός θεωρητικού φυσικού στα όρια της πραγματικότητας

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    Michael Dine

    Μετάφραση: Κωνσταντίνος Κυρίτσης

    ISBN 978-618-230-068-8

    Διαστάσεις: 14 x 21 cm
    Αριθμός σελίδων:     360

    Τιμή: € 20

    Έτος έκδοσης: 2024Οι περισσότεροι έχουμε ακούσει για μακρινά άστρα και γαλαξίες. Έχουμε ακούσει ότι το σύμπαν προέκυψε από μια μεγάλη έκρηξη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά τι μέγεθος και τι ηλικία έχει; Από πού προήλθε; Ποια η τελική μοίρα του; Βέβαια, έχουμε επίγνωση της ύπαρξης των ατόμων, ίσως και πραγμάτων πολύ μικρότερων από αυτά. Αλλά πώς είναι δυνατόν να γνωρίζουμε για τους ατομικούς πυρήνες; Πώς γίνεται αυτές οι μικροσκοπικές οντότητες να ελέγχουν τη λειτουργία του σύμπαντος, αλλά και την παρασκευή ενός σάντουιτς, τη χρήση μιας πιστωτικής κάρτας ή τη μετακίνησή μας; Από τις μεγαλύτερες έως τις μικρότερες κλίμακες, το σύμπαν μάς φαίνεται απίστευτα μυστηριώδες. Μπορούμε άραγε να κάνουμε κάτι πέρα από εικασίες για την αρχιτεκτονική και τα δομικά του υλικά; Μπορούμε να σκεφτούμε πειράματα που θα απαντήσουν στην απορία μας για το τι ισχύει σε τόσο εξωπραγματικές κλίμακες;

    Φαίνεται πως ζούμε σε μια εξαιρετική στιγμή της ανθρώπινης ιστορίας. Από τη μία, αντιμετωπίζουμε τεράστιες προκλήσεις: κλιματική αλλαγή, πανδημίες, απειλή πυρηνικού πολέμου. Από την άλλη, διαθέτουμε γνώσεις για τον κόσμο γύρω μας ―και για το σύμπαν― πέρα από οτιδήποτε θα μπορούσε να διανοηθεί κανείς ακόμα και πριν από έναν αιώνα. Ωστόσο, η καθημερινή μας εμπειρία καταλαμβάνει μόνο μια μικρή γωνιά του. Η ζωή μας διαδραματίζεται σε κλίμακες εκατοστών, μέτρων, χιλιομέτρων, ίσως και χιλιάδων χιλιομέτρων. Όμως γνωρίζουμε τη φύση και σε μικρότερες κλίμακες ― πολύ μικρότερες από το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα. Έχουμε επίσης γνώσεις για το σύμπαν σε αφάνταστα μεγάλες αποστάσεις. Ακόμα πιο εκπληκτικό είναι ότι γνωρίζουμε ―αληθινά γνωρίζουμε― γεγονότα που συνέβησαν δισεκατομμύρια χρόνια πριν και ότι μπορούμε να δηλώσουμε με αρκετή σιγουριά τι θα συμβεί στο σύμπαν μέσα στα επόμενα δεκάδες δισεκατομμύρια έτη. Τούτο το βιβλίο επιχειρεί να αφουγκραστεί τον παλμό αυτής της εξαιρετικής στιγμής.

    Περιεχόμενα

    ΒΗΜΑ ΠΡΩΤΟ
    1. Επιθεωρώντας το σύμπαν
    2. Μπορούμε να θεωρούμε δεδομένο τον χώρο και τον χρόνο;
    3. Τι εννοούμε με τον όρο σύμπαν;

    ΒΗΜΑ ΔΕΥΤΕΡΟ
    4. Μπορεί η κβαντομηχανική να προβλέψει το μέλλον;
    5. Οι καρποί της πυρηνικής εποχής
    6. Το βάρος των πιο μικρών πραγμάτων
    7. Αστρικό στερέωμα

    ΤΑ ΕΠΟΜΕΝΑ ΒΗΜΑΤΑ
    8. Γιατί υπάρχει κάτι και όχι τίποτα;
    9. «Το πρόβλημα των μεγάλων αριθμών»
    10. Από τι είναι φτιαγμένο το σύμπαν;
    11. Η σκοτεινή ενέργεια

    ΕΝΑ ΒΗΜΑ ΣΕ ΟΛΙΣΘΗΡΟ ΕΔΑΦΟΣ
    12. Στην αρχή των πάντων
    13. Μπορούμε να καταλήξουμε σε μια τελική θεω­ρία χωρίς να σηκωθούμε από την καρέκλα μας;
    14. Η τοπογραφία της πραγματικότητας
    15. Ρίχνοντας τα ζάρια της θεωρητικής φυσικής

    Σημειώσεις
    Ευχαριστίες
    Ευρετήριο

    ———————————————————————————————————————————–Ο Μάικλ Ντάιν είναι αμερικανός θεωρητικός φυσικός, τακτικός καθηγητής στο Ινστιτούτο Σωματιδιακής Φυσικής της Σάντα Κρουζ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας. Ειδικός στα πεδία της υπερσυμμετρίας και της θεωρίας χορδών, έχει εκτεταμένο ερευνητικό έργο πάνω σε εφαρμογές της θεωρίας των υπερχορδών στην κοσμολογία. Είναι εκλεγμένο μέλος της αμερικανικής Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών από το 2019. Έχει γράψει το σύγγραμμα Supersymmetry and String Theory: Beyond the Standard Model (Cambridge University Press 2007, 2015). Το Από πού πάνε στο σύμπαν; είναι το πρώτο του βιβλίο επιστημονικής εκλαΐκευσης.

  • Η Δομή του Κόσμου: Χώρος, Χρόνος και η Υφή της Πραγματικότητας

    Η Δομή του Κόσμου: Χώρος, Χρόνος και η Υφή της Πραγματικότητας

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ

    Brian Green

    Μετάφραση: Μαριάννα Φλωράκη

    Επιμέλεια – Διόρθωση: Ιωάννα Χατζηγιαννάκη
    ISBN: 978-618-5289-    95–9
    Διαστάσεις: 16 Χ 23
    Αριθμός σελίδων:     598
    Τιμή: € 2     + ΦΠΑ 6%

    Έτος έκδοσης: 2024Οι Εκδόσεις ΡΟΠΗ με χαρά ανακοινώνουν την κυκλοφορία του βιβλίου “Η Δομή του Κόσμου” του διάσημου φυσικού Brian Greene. Το βιβλίο, που έχει κερδίσει διεθνή αναγνώριση, είναι πλέον διαθέσιμο και στα ελληνικά, προσφέροντας στους αναγνώστες την ευκαιρία να εξερευνήσουν τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος με έναν προσιτό και συναρπαστικό τρόπο.

    Ο χώρος και ο χρόνος αιχμαλωτίζουν τη φαντασία όπως κανένα άλλο επιστημονικό αντικείμενο, διαμορφώνοντας την αρένα της πραγματικότητας και την ακριβή δομή του σύμπαντος. Σε αυτό το βιβλίο, ο Brian Greene μας καθοδηγεί σε ένα αποκαλυπτικό ταξίδι από τις απόλυτες αντιλήψεις του Νεύτωνα για τον χώρο και τον χρόνο μέχρι την επαναστατική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν και τις περίπλοκες έννοιες της κβαντικής μηχανικής.

    Οι αναγνώστες θα ανακαλύψουν:

    • Τι ακριβώς είναι ο χώρος και ο χρόνος και αν είναι πραγματικές φυσικές οντότητες ή απλώς χρήσιμες ιδέες.
    • Γιατί ο χρόνος φαίνεται να έχει μια κατεύθυνση και αν έχει κάποια αρχή.
    • Αν το σύμπαν θα μπορούσε να υπάρξει χωρίς χώρο και χρόνο και αν είναι δυνατό το ταξίδι στο παρελθόν.

    Ο Brian Greene καταφέρνει να εξηγήσει σύνθετες φυσικές έννοιες όπως η Θεωρία των Χορδών, η Αρχή της Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ και η Κοσμολογία του Πληθωρισμού με έναν προσιτό τρόπο, χρησιμοποιώντας εύστοχες αναλογίες που καθιστούν το βιβλίο κατανοητό σε ένα ευρύ κοινό.

    Το βιβλίο “Η Δομή του Κόσμου” απευθύνεται στον γενικό αναγνώστη που έχει ελάχιστη έως καθόλου κατάρτιση στις επιστήμες, αλλά η επιθυμία του να κατανοήσει τους μηχανισμούς του σύμπαντος τον παρακινεί να καταπιαστεί με πολύπλοκες και απαιτητικές έννοιες. Στις πιο δύσκολες ενότητες του βιβλίου, ο συγγραφέας προειδοποιεί τον αναγνώστη και παρέχει σύντομες περιλήψεις για εκείνους που ενδεχομένως επιλέξουν να παραλείψουν ή να μην εστιάσουν σε αυτές τις πιο περίπλοκες συζητήσεις. Με αυτόν τον τρόπο, ο αναγνώστης μπορεί να προχωρήσει στο μονοπάτι της ανακάλυψης και να αποκτήσει όχι μόνο γνώση του σημερινού τρόπου σκέψης της φυσικής, αλλά και μια βαθύτερη κατανόηση για το πώς και γιατί αυτός ο τρόπος σκέψης έχει επικρατήσει.

    Σας καλούμε να ανακαλύψετε τις σελίδες αυτού του εκπληκτικού έργου και να εμπνευστείτε από τις αποκαλύψεις του Brian Greene για τα θεμέλια του Σύμπαντος.

    _____________________________________________________________________________________

    Ο Brian Greene διετέλεσε καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Cornell από το 1990 έως το 1995 και από το 1996 είναι Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Columbia. Επιπλέον, από το 2008 διευθύνει το World Science Festival.

    Ο Brian Greene είναι γνωστός στο κοινό μέσα από τα βιβλία του που έγιναν best-sellers στην λίστα των New York Times ενώ η εφημερίδα Washington Post τον χαρακτήρισε ως «τον κορυφαίο εξηγητή δυσνόητων εννοιών στον κόσμο σήμερα». Παρουσίασε δύο μίνι-σειρές βασισμένες στα βιβλία του, λαμβάνοντας το βραβείο George Foster Peabody για το «Το Kομψό Σύμπαν με τον Brian Greene». Το 2008, μαζί με την παραγωγό Tracy Day, ίδρυσε το World Science Festival.

  • ΤΑ ΑΝΟΙΧΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

    ΤΑ ΑΝΟΙΧΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

    Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε τα μεγάλα ανοικτά ερωτήματα στο μεταίχμιο μεταξύ σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας. Συζητάμε τον τρόπο με τον οποίο προέκυψαν, πώς προσπαθούμε να τα εξηγήσουμε και τι μας επιφυλάσσει το μέλλον.  Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος και ποια είναι η προέλευση και το μέλλον του Σύμπαντος; Τα ερωτήματα αυτά ανέκαθεν κατείχαν κεντρικό ρόλο στην κοσμοθεωρία όλων των πολιτισμών.

    Παρόλο που σε επίπεδο φιλοσοφίας η ενασχόληση με τα ερωτήματα αυτά άρχισε απ’ την περίοδο των προσωκρατικών φιλοσόφων, η φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, η επιστήμη που μελετά τη δομή της ύλης στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, πήρε μορφή μόλις πριν εκατό περίπου χρόνια με την ανακάλυψη των πρώτων στοιχειωδών σωματιδίων. Το ηλεκτρόνιο ήταν το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε (το 1897 απ’ τον J.J. Thomson), με την ανακάλυψη του πρωτονίου και του νετρονίου να ακολουθούν το 1919 (Rutherford) και το 1932 (Chadwick) αντίστοιχα. Από τότε και μέχρι σήμερα νέα θεμελιώδη σωματίδια ανακαλύπτονταν κατά μέσο όρο κάθε 5 χρόνια, όπως φαίνεται στον πίνακα στην Εικ. 1.Εικόνα 1: Χρονολογικός πίνακας με σημαντικές ανακαλύψεις νέων σωματιδίων ή θεωριών στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων.Αξίζει να τονίσουμε ότι:

    1. Μετά τα θεμελιώδη συστατικά των ατόμων της συνηθισμένης ύλης (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) και το μιόνιο (που αποτέλεσε την πρώτη ένδειξη για την ύπαρξη περισσοτέρων γενεών φερμιονίων, δηλ. σωματιδίων με ημιακέραιο σπιν που συγκροτούν την ύλη), τα επόμενα σωματίδια (με σχεδόν απόλυτη πλειοψηφία) είχαν προβλεφθεί από τη θεωρία αρκετά χρόνια πριν ανακαλυφθούν. Σε μια πρώτη ανάγνωση κάποιος μπορεί να θεωρήσει ότι το πείραμα απλά επιβεβαίωνε τη θεωρία, παρόλα αυτά στον παραπάνω πίνακα έχουν παραληφθεί όλες οι μη επιβεβαιωμένες θεωρίες που ήταν πολλαπλάσιες των επιβεβαιωμένων! Το πείραμα, λοιπόν, ήταν πάντα ο τελικός κριτής.
    2. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, όλες οι ανακαλύψεις νέων σωματιδίων χρειάστηκαν περισσότερο διάστημα απ΄ ότι προηγούμενα. Πέραν της όποιας εγγενούς δυσκολίας παρουσίαζε η ανίχνευση, αυτό οφείλεται και στο γεγονός ότι οι ανακαλύψεις αυτές έγιναν σε μεγάλες πειραματικές κοινοπραξίες, χρησιμοποιώντας μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων οι οποίοι χρειάστηκαν δεκαετίες για να σχεδιαστούν και να λειτουργήσουν.

    Στο επίπεδο της θεωρίας, τα θεμέλια της σωματιδιακής φυσικής τέθηκαν με την ανάπτυξη της σχετικότητας και της κβαντομηχανικής στις αρχές του 20ού αιώνα. Απ’ τη σύνθεσή τους προέκυψε η Κβαντική Θεωρία Πεδίου (Quantum Field Theory), η οποία αναπτύχθηκε το 1940-1950. Ιδιαίτεροι σταθμοί αποτέλεσαν η ενοποίηση των ασθενών με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις το 1959 κι η ανακάλυψη του μηχανισμού Higgs (Higgs mechanism), ο οποίος ήταν απαραίτητος για μια μαθηματικά συνεπή περιγραφή των αλληλεπιδράσεων. Το 1967 ο Weinberg συνέθεσε το μοντέλο ηλεκτρασθενούς ενοποίησης με το μηχανισμό Higgs παρουσιάζοντας για πρώτη φορά αυτό που σήμερα ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή τη θεωρία που περιγράφει σχεδόν1 όλα τα μικροσκοπικά φαινόμενα που έχουν σχέση με ηλεκτρομαγνητικές, ασθενείς και ισχυρές αλληλεπιδράσεις.Εικόνα 2: Τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. [Πηγή: wikipedia]Μετά τις αρχές τις δεκαετίας του 1970, οι πιο σημαντικές καινοτομίες στο επίπεδο της θεωρίας αφορούν στην πρόταση της ύπαρξης της υπερσυμμετρίας (supersymmetry), στη θεωρία χορδών (string theory) και πληθώρα μοντέλων πέραν του καθιερωμένου προτύπου με εκτεταμένες συμμετρίες που αντιστοιχούν σε νέες αλληλεπιδράσεις, περισσότερες γενεές φερμιονίων κλπ, καμία απ’ τις οποίες δεν έχει ακόμα επαληθευτεί πειραματικά. Παράλληλα, στο πειραματικό κομμάτι απ’ τη δεκαετία του 1980 και μετά πραγματοποιούνται συνεχείς μετρήσεις ακριβείας σε μεγάλα πειράματα επιταχυντών, οι οποίες στη συντριπτική πλειοψηφία τους συμφωνούν με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου με εκπληκτική ακρίβεια, όπως φαίνεται στην Εικ. 3.Εικόνα 3: Μετρήσεις των ενεργών διατομών2 διαφόρων διαδικασιών (πιθανότητας για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης τελικής κατάστασης στη σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου) σε διάφορες ενέργειες του LHC. Τα σημεία αναπαριστούν τις πειραματικές μετρήσεις ενώ τα χρωματιστά κουτιά τις θεωρητικές προβλέψεις. [Πηγή: ATL-PHYS-PUB-2024-011]Παρόλη την παντοκρατορία του Καθιερωμένου Προτύπου υπάρχουν αρκετές παρατηρήσεις  οι οποίες δε μπορούν να εξηγηθούν από αυτό (Navas et al, 2024). Ποια λοιπόν είναι τα μεγάλα ανοιχτά ερωτήματα και πώς μπορούμε να προχωρήσουμε προς μια πιθανή εξήγησή τους;

    ΠΩΣ ΑΠΟΚΤΟΥΝ ΜΑΖΑ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΑ;

    Τα νετρίνα είναι σωματίδια τα οποία λαμβάνουν μέρος μόνο σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις (επομένως αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με τη συνήθη ύλη). Ο Wolfgang Pauli πρότεινε για πρώτη φορά την ύπαρξή τους το 1930, για να εξηγήσει τη φαινόμενη παραβίαση διατήρησης της ενέργειας στη διάσπαση-β (beta decay). Η διάσπαση-β είναι μια διαδικασία που γίνεται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης, κατά την οποία ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο. Για τη διατήρηση του φορτίου επιβάλλεται μαζί με το πρωτόνιο να παράγεται ένα αρνητικά φορτισμένο σωμάτιο, ένα ηλεκτρόνιο σε μια αντίδραση της μορφής

        \[ (A,Z)\rightarrow(A,Z+1)+e^-, \]

    όπου (Α, Ζ) ένας πυρήνας με Α πρωτόνια και νετρόνια και Ζ πρωτόνια. Λόγω διατήρησης της ορμής και της ενέργειας, η ενέργεια του ηλεκτρονίου στην παραπάνω αντίδραση θα έπρεπε να παίρνει μία συγκεκριμένη τιμή (περίπου ίση με τη διαφορά μαζών). Παρόλα αυτά, μετρήσεις του ενεργειακού φάσματος του ηλεκτρονίου (από τη Lise Meitner και τον Otto Hahn) έδειξαν ότι η ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου αντιστοιχεί σε ένα συνεχές φάσμα. Για να εξηγήσει το φαινόμενο αυτό, ο Pauli πρότεινε ότι στην αντίδραση αυτή παράγεται μαζί με το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο ένα νέο αφόρτιστο σωματίδιο, το οποίο πήρε το όνομα νετρίνο.

    Όπως και τα φορτισμένα λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, λεπτόνιο ταυ), έτσι και τα νετρίνα έχουν τρεις λεπτονικές γεύσεις, διαχωριζόμενα σε νετρίνα ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ. Αρχικά τα νετρίνα θεωρούνταν ως μη έχοντα μάζα, όπως τα φωτόνια. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 όμως τα πειράματα στο Sudbury Neutrino Observatory στον Καναδά και στο Super-Kamiokande στην Ιαπωνία παρατήρησαν ότι νετρίνα μιας γεύσης καθώς διαδίδονταν στο χώρο άλλαζαν γεύση με μία συγκεκριμένη περιοδικότητα. Αυτή η «ταλάντωση» των νετρίνων απέδειξε ότι τα νετρίνα πρέπει να «αισθάνονται» το πέρασμα του χρόνου και συνεπώς θα πρέπει να έχουν μη μηδενική μάζα (σύμφωνα με την ειδική σχετικότητα ένα σωματίδιο χωρίς μάζα κινείται συνεχώς με την ταχύτητα του φωτός και συνεπώς δεν μπορεί να αντιληφθεί το πέρασμα του χρόνου)3.

    Το ερώτημα που γεννάται τώρα είναι τι προσδίδει στα νετρίνα τη μάζα τους; Είναι εύλογο να θεωρήσει κανείς ότι τα νετρίνα αποκτούν τη μάζα τους αλληλεπιδρώντας με το μποζόνιο Higgs, όπως τα υπόλοιπα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. Ξέρουμε όμως ότι κατά την αλληλεπίδρασή τους με το μποζόνιο Higgs, η ιδιοστροφορμή των σωματιδίων αλλάζει φορά σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησής τους. Αυτό αποτελεί πρόβλημα, καθώς για όλα τα νετρίνα (αντι-νετρίνα) που έχουν παρατηρηθεί η κατεύθυνση της ιδιοστροφορμής τους είναι πάντα αντίθετη (ίδια) με τη φορά της κίνησης (δηλαδή τα νετρίνα είναι πάντα “αριστερόστροφα” ενώ τα αντι-νετρίνα πάντα “δεξιόστροφα”). Επομένως τα νετρίνα δεν μπορούν να αποκτούν μάζα όπως τα υπόλοιπα σωματίδια στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

    Μια άλλη δυνατότητα που υπάρχει είναι εφόσον τα νετρίνα είναι αριστερόστροφα και τα αντι-νετρίνα δεξιόστροφα, αν το νετρίνο είναι αντισωματίδιο του εαυτού του (είναι όπως λέμε σωματίδιο τύπου Majorana) θα μπορούσε να αποκτά μάζα μέσω του μηχανισμού Higgs. Σε αυτή την περίπτωση, περιμένουμε να δούμε αντιδράσεις όπως η διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων 2n → 2p + 2e–, όπως φαίνεται στην Εικ. 4, η οποία παραβιάζει όμως τη διατήρηση του λεπτονικού αριθμού. Παρότι διάφορα πειράματα ψάχνουν γι’ αυτού του είδους τη διάσπαση, δεν έχει βρεθεί μέχρι σήμερα καμία ένδειξη για την ύπαρξή της.Εικόνα 4: Διάγραμμα που αναπαριστά τη διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων. Στην τελική κατάσταση έχουμε δύο λεπτόνια (ηλεκτρόνια) ενώ στην αρχική κατάσταση δεν έχουμε λεπτόνια, με συνέπεια να παραβιάζεται ο λεπτονικός αριθμός. [Πηγή: wikipedia]Επομένως υπάρχουν τρεις δυνατότητες για να εξηγήσουμε το πώς τα νετρίνα αποκτούν μάζα (De Gouvea, 2016), (1) η ύπαρξη δεξιόστροφων νετρίνων, τα οποία δε λαμβάνουν μέρος σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις, (2) η υπόθεση ότι τα νετρίνα είναι αντισωματίδια του εαυτού τους, η οποία οδηγεί στην παραβίαση του λεπτονικού αριθμού ή (3) η ύπαρξη ενός νέου μηχανισμού παραγωγής μάζας.

    Διάφορα πειράματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν την ύπαρξη δεξιόστροφων νετρίνων ή τη διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων βρίσκονται σε εξέλιξη, αλλά μέχρι στιγμής δεν υπάρχει καμία σαφής ένδειξη για την ύπαρξή τους. Σε κάθε περίπτωση η επίλυση του ερωτήματος για τον τρόπο που τα νετρίνα αποκτούν μάζα απαιτεί την εισαγωγή νέας φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

    ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΠΑΡΑΤΗΡΟΥΜΕ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΑΝΤΙΥΛΗΣ ΣΤΟ ΟΡΑΤΟ ΣΥΜΠΑΝ;

    Αν παρατηρήσουμε το ορατό Σύμπαν βλέπουμε γαλαξίες και νέφη από υδρογόνο και ήλιο, δηλαδή αντικείμενα που αποτελούνται απ’ τα σωματίδια ύλης, πρωτόνια νετρόνια και ηλεκτρόνια. Πουθενά δεν έχει παρατηρηθεί μεγάλη συγκέντρωση αντιύλης, δηλαδή αντικειμένων που να αποτελούνται από αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και ποζιτρόνια. Αυτή η παρατήρηση είναι γνωστή με το όνομα ασυμμετρία ύλης-αντιύλης (ή βαρυονική ασυμμετρία).

    Πώς μπορεί να προέκυψε αυτή η ασυμμετρία; Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της κοσμολογίας, τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), το Σύμπαν περιήλθε σε μια περίοδο εκθετικής διαστολής, που ονομάζεται εποχή του πληθωρισμού (inflationary epoch), κατά την οποία ο όγκος του αυξήθηκε τουλάχιστον κατά ένα παράγοντα της τάξης του 1078. Η τεράστια αύξηση του όγκου του Σύμπαντος είχε ως αποτέλεσμα την εξάλειψη οποιασδήποτε ασυμμετρίας μεταξύ ύλης κι αντιύλης, η οποία ενδεχομένως να υπήρχε μέχρι τότε. Επομένως η ασυμμετρία που παρατηρούμε σήμερα θα πρέπει να δημιουργήθηκε είτε στο τέλος του πληθωρισμού είτε μετά το τέλος του. Η πρώτη υπόθεση (πληθωριστική βαρυογένεση) είναι δύσκολο να ελεγχθεί πειραματικά, καθώς οι ενέργειες που επικρατούσαν κατά τον πληθωρισμό είναι 1013 φορές μεγαλύτερες απ’ την ενέργεια των σημερινών επιταχυντών αλλά κι επειδή ο ίδιος ο πληθωρισμός δεν έχει ακόμα εξακριβωθεί πειραματικά. Απομένει επομένως το ενδεχόμενο να δημιουργήθηκε η ασυμμετρία μετά το τέλος του πληθωρισμού από αλληλεπιδράσεις που παράγουν περισσότερη ύλη απ’ ότι αντιύλη.

    Οι απαραίτητες συνθήκες για να παράγει μια αλληλεπίδραση περισσότερη ύλη από αντιύλη είναι οι αποκαλούμενες τρείς συνθήκες Sakharov: (1) να παραβιάζει το βαρυονικό αριθμό, (2) να παραβιάζει τη συμμετρία μεταξύ σωματιδίων κι αντισωματιδίων (συμμετρίες C και CP) και (3) να συμβαίνει εκτός θερμικής ισορροπίας. Στο Καθιερωμένο Πρότυπο οι μόνες αλληλεπιδράσεις που ικανοποιούν τις συνθήκες αυτές είναι οι ασθενείς, παρόλα αυτά έχει αποδειχθεί ότι η ασυμμετρία μεταξύ σωματιδίων κι αντισωματιδίων στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις είναι πολύ μικρότερη απ’ ότι χρειάζεται για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν4. Τα παραπάνω καταδεικνύουν ότι η εξήγηση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης απαιτεί νέα φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

    Δεκάδες θεωρίες έχουν προταθεί για να εξηγήσουν την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης (Riotto, 1998; Barbieri et al, 2000). Οι περισσότερες απ’ αυτές προβλέπουν την ύπαρξη νέων αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν σε πολύ υψηλές ενέργειες και συνεπώς είναι αδύνατον να ελεγχθούν πειραματικά με τις σημερινές τεχνικές. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν θεωρίες που είναι ελέγξιμες στους σημερινούς επιταχυντές. Για παράδειγμα η θεωρία της ηλεκτρασθενούς βαρυογένεσης προβλέπει ότι η συνθήκη μη ισορροπίας που χρειάζεται για τη βαρυογένεση δημιουργείται μέσω του μηχανισμού Higgs. Αυτές οι θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη περισσοτέρων μποζονίων Higgs εντός της εμβέλειας του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (Large Hadron Collider, LHC). Παρά τις έρευνες κανένα απ’ αυτά τα μποζόνια δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί.

    Τέλος εφόσον χρειάζονται τρεις συνθήκες για την πραγματοποίηση της βαρυογένεσης, η εξήγηση του φαινομένου μπορεί να αποδειχθεί πολύ πιο σύνθετη απ’ ότι φανταζόμαστε, απαιτώντας τρία διαφορετικά μοντέλα νέας φυσικής για την πραγματοποίηση κάθε μιας από τις τρεις συνθήκες του Sakharov.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Στις αρχές της δεκαετίας του 1930, ο Σουηδός αστρονόμος Knut Lundmark κι ο Ελβετός φυσικός Fritz Zwicky υπολόγισαν από μετρήσεις της φωτεινότητας και της περιστροφικής ταχύτητας γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών το λόγο της φωτοβολούσας μάζας προς την ολική (βαρυτική) μάζα τους και απεφάνθησαν ότι η ολική μάζα είναι δεκάδες φορές μεγαλύτερη απ’ τη φαινόμενη. Το έλλειμα μάζας το απέδωσαν σε ένα νέο τύπο ύλης που ονόμασαν σκοτεινή ύλη (dark matter),  εικάζοντας ότι επρόκειτο για σκοτεινά νέφη, μετεωρίτες, σβησμένα άστρα κλπ.

    Οι φαινομενικά παράδοξες αυτές παρατηρήσεις ξεχάστηκαν απ’ την επιστημονική κοινότητα για πάνω από σαράντα χρόνια, μέχρι που νέες μετρήσεις των ταχυτήτων περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας απ’ τη Vera Rubin και τον Kent Ford επιβεβαίωσαν ότι οι εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών περιστρέφονται πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι προβλέπει η Νευτώνεια φυσική, δεδομένης της φωτοβολούσας μάζας τους. Αργότερα, μετρήσεις ακριβείας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (δηλ. του διάχυτου φωτός που παρατηρούμε απ’ την εποχή που τα ηλεκτρόνια δεσμεύτηκαν σε άτομα και το Σύμπαν έγινε ηλεκτρικά ουδέτερο), μετρήσεις του βαρυτικού πεδίου συγκρουόμενων γαλαξιακών σμηνών και πολλές άλλες αστρονομικές παρατηρήσεις απέδειξαν αδιάσειστα ότι η συνήθης βαρυονική ύλη που παρατηρούμε και απ’ την οποία είναι φτιαγμένα τα άστρα και οι γαλαξίες δεν αποτελεί παρά το 1/5 της συνολικής ύλης του Σύμπαντος (βλ. Εικ. 5).Εικόνα 5: (Αριστερά) Σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων περιστροφικών ταχυτήτων ενός γαλαξία (σημεία) με την ταχύτητα που προβλέπεται απ’ τη θεωρία βάσει της φαινόμενης μάζας (διακεκομμένη γραμμή) [Πηγή: wikipedia]. (Δεξιά) Σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (κόκκινα σημεία) με τις προβλεπόμενες τιμές (γραμμές) για διάφορες τιμές της σχετικής πυκνότητας βαρυονικής ύλης. [Πηγή: https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March10/Garrett/Garrett3.html]Το ερώτημα που γεννάται είναι από τι αποτελούνται τα υπόλοιπα 4/5, δηλαδή ποια είναι η μικροσκοπική σύσταση της σκοτεινής ύλης; Το ερώτημα αυτό παραμένει μέχρι σήμερα αναπάντητο, παρόλα αυτά από διάφορες παρατηρήσεις μπορούμε να εξάγουμε κάποιες απ’ τις ιδιότητές της. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να

    • είναι σταθερή, με χρόνο ημιζωής πάνω από 10 φορές μεγαλύτερο απ’ την ηλικία του Σύμπαντος
    • είναι ηλεκτρικά ουδέτερη (το μέγιστο ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να έχει είναι δέκα χιλιάδες φορές μικρότερο απ’ το φορτίο του ηλεκτρονίου)
    • κινείται αργά (έχει αποδειχτεί ότι αν η σκοτεινή ύλη κινείται γρήγορα, εμποδίζει τη δημιουργία γαλαξιών)
    • είναι μη βαρυονική, δηλαδή δεν αποτελείται απ’ τα συνήθη σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου
    • μην αποτελείται πλήρως από μαζικά αστρονομικά αντικείμενα (MACHO) όπως αστροφυσικές μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων, καφέ νάνοι, πλανήτες κλπ)

    Καθώς οι πρώτες μετρήσεις απ’ τις οποίες εξήχθει η υπόθεση της σκοτεινής ύλης βασίζονταν στην εφαρμογή της βαρυτικής θεωρίας του Einstein (που ανάγεται στη συνήθη Νευτώνεια βαρύτητα για το συγκεκριμένο πρόβλημα) κάποιοι υποστήριξαν ότι οι αποκλίσεις που παρατηρήθηκαν σε μεγάλες αποστάσεις απ’ το κέντρο των γαλαξιών υποδεικνύουν την ανεπάρκεια της Νευτώνειας βαρύτητας, προτείνοντας μια τροποποιημένη θεωρία βαρύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες αυτές δεν μπορούσαν να περιγράψουν ικανοποιητικά όλες τις παρατηρήσεις και συνεπώς η ιδέα της περιγραφής των αστρονομικών παρατηρήσεων που διαθέτουμε αποκλειστικά και μόνο βάσει μιας τροποποιημένης βαρύτητας χωρίς την εισαγωγή της σκοτεινής ύλης (MoND) έχει πρακτικά εγκαταληφθεί.

    Οι θεωρίες που απομένουν ως πιθανή εξήγηση της σκοτεινής ύλης αρκούν για να γεμίσουν αρκετούς τόμους βιβλίων. Το εύρος των πιθανών μαζών σωματιδίων σκοτεινής ύλης καλύπτει πάνω από 80 τάξεις μεγέθους, από 10-58 μέχρι 1030 kg, επομένως απαιτούνται πολλές παρατηρήσεις με διαφορετικές τεχνικές σε πληθώρα πειραμάτων για την κατανόηση της φύσης της.

    Στην περιοχή μεγάλων μαζών όπου περιμένουμε η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες που δημιουργήθηκαν πολύ πριν τα πρώτα άστρα (Arbey, 2024; Escriva et al., 2024), οι κύριες μέθοδοι ανίχνευσης βασίζονται κυρίως σε αστρονομικές μετρήσεις όπως βαρυτικά κύματα, βαρυτικούς φακούς και στη μελέτη του αντίκτυπου της ακτινοβολίας Hawking στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Στις υπόλοιπες περιοχές υπάρχουν τρία είδη πειραμάτων: (1) άμεσης ανίχνευσης (Billard et al, 2022), (2) έμμεσης ανίχνευσης (Gaskins, 2016) και (3) παραγωγής σκοτεινής ύλης σε επιταχυντές (Boveia and Doglioni, 2018; Argyropoulos et al., 2011). Στα πειράματα άμεσης ανίχνευσης, τεράστια δοχεία γεμισμένα με ευγενή υγρά (πχ. υγρό ξένο) τοποθετούνται σε ορυχεία, για να προστατευθούν απ’ την επήρεια της κοσμικής ακτινοβολίας, και στοχεύουν στην ανίχνευση της ανάκρουσης ενός ατόμου του ευγενούς υγρού το οποίο θα συγκρουστεί με ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης στο γαλαξία. Στα πειράματα έμμεσης ανίχνευσης, επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων-γ, νετρίνων και κοσμικών ακτίνων προσπαθούν να ανιχνεύσουν τα προϊόντα απ’ την εξαΰλωση ενός ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου σκοτεινής ύλης. Τέλος στους επιταχυντές προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε σήματα ελλείματος ενέργειας που αναμένονται να δημιουργηθούν απ’ τα σωματίδια σκοτεινής ύλης αν αυτά παραχθούν στις συγκρούσεις πρωτονίων.

    Παρά τις πολύχρονες έρευνες δεν υπάρχει ακόμα καμία ένδειξη για την ανίχνευση ενός σωματιδίου που να έχει τις κατάλληλες ιδιότητες για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη, πολλές απ’ τις προταθείσες θεωρίες έχουν ωστόσο αποκλειστεί. Το σίγουρο είναι ότι η διαλεύκανση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης θα αποτελέσει μια απ’ τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις της φυσικής.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 

    Στα τέλη της δεκαετίας του 1920 με μια σειρά από αστρονομικές μετρήσεις και θεωρητικές ερμηνείες οι Knut Lundmark, Georges Lemaitre και Edwin Hubble απέδειξαν ότι το ορατό μέρος του Σύμπαντος διαστέλεται. Θα περίμενε κανείς λόγω της βαρυτικής έλξης των γαλαξιών η διαστολή αυτή να επιβραδύνεται. Παρόλα αυτά, προς έκπληξη όλων, το 1998 δύο ερευνητικές ομάδες, το Supernova Cosmology Project με επικεφαλής τον Saul Perlmutter, και το High-Z Supernova Search Team, με επικεφαλής τους Brian Schmidt και Adam Riess, ανακάλυψαν ότι η διαστολή επιταχύνεται. Εφόσον σε κοσμικές αποστάσεις η μόνη δύναμη που έχει σημασία είναι η βαρυτική, τι μπορεί να είναι αυτό που σα μια δύναμη αντιβαρύτητας οδηγεί στην επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος; Ο λόγος δεν έχει ακόμα αποσαφηνιστεί αλλά του έχει αποδοθεί ο όρος σκοτεινή ενέργεια (dark energy).

    Ο αριθμός των θεωριών που προσπαθούν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ενέργεια είναι τεράστιος (Brax, 2018). Για να εξηγήσει κάποιος τη σκοτεινή ενέργεια μπορεί να εισάγει νέα πεδία (βαθμωτά όπως το πεδίο Higgs, διανυσματικά όπως το φωτόνιο ή τανυστικά όπως το βαρυτικό πεδίο) ή νέες χωρικές διαστάσεις, να τροποποιήσει τη μορφή των εξισώσεων πεδίου Einstein κλπ. Καθώς οι τροποποιήσεις αυτές έχουν επιπτώσεις κυρίως στη βαρύτητα και συνεπώς στην κοσμολογία (εξέλιξη του Σύμπαντος), κυριαρχεί η αντίληψη ότι το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας δεν έχει σχέση με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Παρόλα αυτά δε μπορεί κανείς να παραβλέψει ότι κβαντικές διακυμάνσεις των πεδίων που δημιουργούν τα στοιχειώδη σωματίδια συμβάλουν στη δημιουργία μιας ενεργούς κοσμολογικής σταθεράς, η οποία μπορεί να παίξει το ρόλο της σκοτεινής ενέργειας (μάλιστα είναι η επικρατέστερη θεωρία για την εξήγηση της σκοτεινής ενέργειας). Και το πρόβλημα εδώ έγκειται στο γεγονός ότι ο υπολογισμός της κοσμολογικής σταθεράς βάσει κβαντικής θεωρίας πεδίου δίνει ένα νούμερο 50 με 120 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο απ’ το παρατηρούμενο! Αυτό είναι γνωστό ως πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς (Weinberg, 1989), το οποίο θα πρέπει να επιλυθεί.

    Πέραν αυτού, είναι γνωστό ότι διάφορες θεωρίες που προβλέπουν νέα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το βαρυτικό πεδίο, νέες διαστάσεις ή τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας θα μπορούσαν να ανιχνευτούν στους επιταχυντές (Brax et al, 2009; Brax et al, 2016) είτε άμεσα (ως νέα σωματίδια) είτε έμμεσα μέσω της επίπτωσής τους στις μετρούμενες ιδιότητες των σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου (Burrage et al 2018; Argyropoulos et al., 2024). Επομένως, η σωματιδιακή φυσική μπορεί να παρέχει επιπλέον πληροφορία στην εξιχνίαση αυτού του εξαιρετικά δύσκολου προβλήματος.

    ΑΛΛΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ

    Πέραν των παραπάνω ερωτημάτων που προέκυψαν από πειραματικές παρατηρήσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν βάσει των θεωριών που διαθέτουμε, υπάρχει μια σειρά από άλλα προβλήματα που αναδύονται στο κομμάτι της θεωρητικής ερμηνείας του Καθιερωμένου Προτύπου.

    Το πιο γνωστό είναι το λεγόμενο πρόβλημα της ιεραρχίας (hierarchy problem), σύμφωνα με το οποίο κβαντικές διορθώσεις που επηρεάζουν τη μάζα των σωματιδίων οδηγούν τη μάζα του Higgs σε μια τιμή πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερη απ’ ότι η μετρούμενη. Η πιο διάσημη προτεινόμενη λύση του προβλήματος εισάγει την υπόθεση της υπερσυμμετρίας, μιας συμμετρίας που σε κάθε γνωστό φερμιόνιο/μποζόνιο αντιστοιχεί ένα νέο μποζόνιο/φερμιόνιο, διπλασιάζοντας έτσι τον αριθμό των σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου. Παρά τις έρευνες για υπερσυμμετρία σε επιταχυντές, καμία ένδειξη δεν έχει προκύψει μέχρι σήμερα.

    ΑΝΤΙ ΕΠΙΛΟΓΟΥ: ΠΩΣ ΜΠΟΡΟΥΜΕ ΝΑ ΑΝΑΚΑΛΥΨΟΥΜΕ ΝΕΑ ΦΥΣΙΚΗ;

    Η ιστορία μας δείχνει ότι μεγάλες ανακαλύψεις στη σωματιδιακή φυσική προέκυψαν είτε δοκιμάζοντας τα όρια εφαρμογής των ισχυουσών θεωριών (π.χ. ανακάλυψη παραβίασης ομοτιμίας στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις), είτε από την προσπάθεια πειραματικής επιβεβαίωσης των προβλέψεων νέων θεωριών (π.χ. ποζιτρόνιο, μποζόνιο Higgs) είτε από μετρήσεις ακριβείας που αποκάλυψαν την ανάγκη επέκτασης της θεωρίας (π.χ. διάσπαση καονίων που οδήγησε στην πρόβλεψη του χαριτωμένου κουαρκ).

    Είδαμε ότι πολλές φορές στην ιστορία της φυσικής χρειάστηκαν δεκαετίες για να παρουσιαστεί μια αναπάντεχη παρατήρηση ή να επιβεβαιωθεί μια θεωρία. Μάλιστα τις τελευταίες δεκαετίες, οι μεγάλες ανακαλύψεις όχι μόνο στη σωματιδιακή φυσική αλλά και σε άλλους κλάδους όπως η αστρονομία/κοσμολογία, τείνουν να γίνονται όχι από μεμονωμένους ερευνητές αλλά από μεγάλες πειραματικές κοινοπραξίες, οι οποίες χρειάζονται τους κατάλληλους υλικούς και ανθρώπινους πόρους για να λειτουργήσουν.  Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σωματίδια που δεν έχουν ακόμα ανακαλυφθεί είναι είτε πολύ βαριά είτε αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς επομένως για την παρατήρησή τους χρειάζονται πολύ μεγάλες ενέργειες ή δέσμες μεγάλης έντασης που απαιτούν την κατασκευή πολύπλοκων πειραματικών εγκαταστάσεων.

    Πολλά νέα πειράματα νετρίνων, μελλοντικοί επιταχυντές και διαστημικές αποστολές που μπορεί να λύσουν κάποια απ’ τα παραπάνω μυστήρια βρίσκονται ήδη υπό σχεδίαση. Μέσα από αυτή την αέναη ερευνητική δραστηριότητα παράγεται όχι μόνο νέα γνώση που προάγει την επιστήμη και ικανοποιεί τις πηγαίες φιλοσοφικές αναζητήσεις τις ανθρωπότητας, αλλά και πλείστες εφαρμογές που βελτιώνουν την καθημερινή μας ζωή (παγκόσμιος ιστός, τομογραφία ποζιτρονίων, οθόνες αφής κ.ά.).

    Δε μπορούμε να πούμε πώς και πότε θα εμφανιστεί η επόμενη ανακάλυψη. Ακολουθώντας τον Hubble απλά «εξοπλιζόμαστε με τις πέντε αισθήσεις μας και παρατηρούμε τον κόσμο γύρω μας, ονομάζοντας αυτή την περιπέτεια Επιστήμη».

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Το “σχεδόν” εδώ αναφέρεται σε φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν σε ενέργειες στις οποίες δεν έχουν ανακαλυφθεί ακριβείς μαθηματικές τεχνικές για τον υπολογισμό παρατηρήσιμων μεγεθών. Για παράδειγμα η σταθερά σύζευξης της ισχυρής αλληλεπίδρασης σε μικρές ενέργειες γίνεται τόσο μεγάλη που καθιστά αδύνατους τους θεωρητικούς υπολογισμούς στην κβαντική θεωρία πεδίου.

    [2] Η ενεργός διατομή είναι ανάλογη της πιθανότητας παραγωγής μιας συγκεκριμένης τελικής κατάστασης κατά τη σύγκρουση δύο σωματιδίων (στην προκειμένη περίπτωση πρωτονίων).

    [3] Η ανακάλυψη αυτή τιμήθηκε με βραβείο Νομπέλ (2015), το πρώτο μάλιστα που απονεμήθηκε σε εκπροσώπους πειραματικών κοινοπραξιών.

    [4] Αυτό αναφέρεται στον τομέα των κουαρκς, για τον οποίον υπάρχουν ακριβείς μετρήσεις της παραβίασης της συμμετρίας CP. Ένα ενδεχόμενο που αποτελεί αντικείμενο εντατικής έρευνας είναι να παραβιάζεται αρκετά η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στις αλληλεπιδράσεις νετρίνων ώστε να δημιουργεί στο πρώιμο Σύμπαν περίσσεια λεπτονίων (λεπτογέννεση).

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε τον Καθηγητή Σπύρο Τζαμαρία (ΑΠΘ) και τον Δρ. Νίκο Ρομποτή (Πανεπιστήμιο Liverpool) που με τις υποδείξεις τους βοήθησαν στη βελτίωση του άρθρου. Τυχόν λάθη βαραίνουν τον συγγραφέα.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    ΕΛΛΗΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Bartusiak, M., 2022. Η μέρα που ανακαλύψαμε το Σύμπαν. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Gagnon, P., 2022. Ποιος κυνηγάει το Higgs. Μια οδύσσεια του μικρόκοσμου. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Weinberg, S., 2017. Τα τρία πρώτα λεπτά. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Weinberg, S., 2019. Σκέψεις με θέα τη λίμνη, Ο κόσμος μας και το Σύμπαν. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Arbey, A., 2024. Primordial black holes: a small review. https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.08624

    Argyropoulos, S., Brandt, O., Haisch, U., Collider Searches for Dark Matter through the Higgs Lens, 2011. Symmetry 13(12), 2406. https://doi.org/10.3390/sym13122406

    Argyropoulos, S., Burrage, C., Englert, C., 2024. Density dependent displaced vertex signatures as a novel probe of light dark sector scalars at the LHC. JCAP 2024(06), 046. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2024/06/046

    Barbieri, R., et al, 2000. Baryogenesis through Leptogenesis, Nucl.Phys.B 575, 61-77. https://doi.org/10.1016/S0550-3213(00)00011-0

    Billard, J. et al, 2022. Direct detection of dark matter—APPEC committee report, Rept.Prog.Phys. 85(5), 056201. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ac5754

    Boveia, A., Doglioni, C., 2018. Dark Matter searches at Colliders, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 68, 429-459. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-101917-021008

    Brax, P., et al, 2009. Collider constraints on interactions of dark energy with the Standard Model. JHEP 09 (2009) 128. https://doi.org/10.1088/1126-6708/2009/09/128

    Brax, P., et al, 2016. LHC Signatures Of Scalar Dark Energy, Phys.Rev.D 94(8), 084054, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.084054

    Brax, P., 2018. What makes the Universe accelerate? A review on what dark energy could be and how to test it. Rep. Prog. Phys. 81 016902. https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa8e64

    Burrage, C., et al, 2018. Fifth forces, Higgs portals and broken scale invariance. JCAP, 2018(11), 036. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2018/11/036

    De Gouvea, A., 2016. Neutrino mass models, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 66, 197-217. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-102115-044600

    Escriva, A., Kuhnel, F., Tada, Y., 2024. Primordial Black Holes in Black Holes in the Era of Graviataitonal-Wave Astronomy, 261-377.  https://doi.org/10.1016/B978-0-32-395636-9.00012-8

    Gaskins, J., M., 2016. A review of indirect searches for particle dark matter. Contemp.Phys. 57(4), 496-525. https://doi.org/10.1080/00107514.2016.1175160

    Panek, R., 2011. The 4% Universe, Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Boston: Mariner Books.

    Riotto, A., 1998. Theories of baryogenesis, CERN-TH-98-204. https://doi.org/10.48550/arXiv.hep-ph/9807454

    Weinberg, S., 1989. The Cosmological Constant Problem. Rev.Mod.Phys. 61, 1-23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1
     Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος

    Ο Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ, διδάκτωρ πειραματικής φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων του Πανεπιστημίου Humboldt του Βερολίνου. Έχει διατελέσει μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο Iowa των ΗΠΑ και κύριος ερευνητής ανεξάρτητης ερευνητικής ομάδας Emmy Noether στο Πανεπιστήμιο Freiburg της Γερμανίας. Εργάζεται απ’ το 2010 στο πείραμα ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) με καίριες συνεισφορές στην αναζήτηση νέας φυσικής, και συγκεκριμένα προτύπων που σχετίζονται με την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας. Έχει διατελέσει συντονιστής της ομάδας εργασίας του LHC για την αναζήτηση σκοτεινής ύλης καθώς και διαφόρων άλλων ομάδων εργασίας στο πείραμα ATLAS.

  • ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑΣ

    ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑΣ

    Η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Credit: ESA and the Planck CollaborationΝίκος Αλεξίου

    Εκπαιδευτικός, Φυσικός, Υποψήφιος Διδάκτωρας ΕΚΠΑ

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε μια σύντομη ιστορία της Κοσμολογίας, όπως αυτή διαμορφώθηκε τα τελευταία εκατό χρόνια και οδήγησε στην ανάδειξη της ως αιχμή του δόρατος στην ανάπτυξη της σύγχρονης έρευνας στη Φυσική. Από τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, μέχρι την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος και από τα πρώτα μεγάλα τηλεσκόπια μέχρι τα σχέδια για διαστημικά συμβολόμετρα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, το ταξίδι ήταν μεγάλο και όμορφο αλλά συνεχίζεται ακόμα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

    Κοιτάζοντας κανείς τον ανέφελο νυχτερινό ουρανό από κάποια ερημική παραλία ή κάποιο βουνό, κατά προτίμηση μια νύχτα χωρίς φεγγάρι, δεν μπορεί να μην γοητευτεί από το θέαμα των αστρικών σχηματισμών και της γαλαξιακής ζώνης. Χιλιάδες χρόνια τώρα οι άνθρωποι σε όλο τον κόσμο παρατηρούν αυτόν τον ίδιο ουρανό και πλάθουν ιστορίες και μύθους για τον σχηματισμό του Κόσμου. Και όμως! Τα μερικές χιλιάδες αστέρια που βλέπουμε με γυμνό μάτι αποτελούν μόνο ένα ασήμαντο μέρος του Σύμπαντος, όλα τους μέρη του δικού μας Γαλαξία που απαριθμεί περισσότερα από 200 δισεκατομμύρια αστέρια και είναι απλά, ένας από τους τρισεκατομμύρια γαλαξίες του Σύμπαντος.

    Η Κοσμολογία, o λόγος περί του Κόσμου, αποτελεί ένα διαρκώς διευρυνόμενο πεδίο έρευνας στη φυσική και αποτελεί κοινή παραδοχή πως κυοφορεί τις μελλοντικές επιστημονικές εξελίξεις στον τομέα. Παρόλα αυτά, μόλις έναν αιώνα πριν, η Κοσμολογία θεωρούνταν αντικείμενο που προσέγγιζε περισσότερο τη Φιλοσοφία ή και την Θεολογία. Για να φτάσουμε στο σημείο να έχουμε θεωρίες εξήγησης της δομής και της ιστορίας του Σύμπαντος ως ολότητας, έπρεπε να προηγηθεί η ανάπτυξη τηλεσκοπίων ολοένα αυξανόμενων δυνατοτήτων. Ορόσημο στην ιστορία της Κοσμολογίας αποτελεί η ανακάλυψη από τον Αμερικανό αστρονόμο Edwin Hubble, αρχικά της ύπαρξης άλλων γαλαξιών και στη συνέχεια της σχετικής απομάκρυνσης των γαλαξιών, της διαστολής δηλαδή του Σύμπαντος. Από τότε, ένα συναρπαστικό ταξίδι καινούργιων ανακαλύψεων αλλά και διατύπωσης θεωριών, για τις ιδιότητες και την εξέλιξη του Σύμπαντος, ξεκίνησε.

    ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΒΗΜΑΤΑ

    Ένα σημαντικό εργαλείο για τους ιστορικούς, αλλά και τους ιστορικούς της επιστήμης ειδικότερα, είναι η περιοδολόγηση της ιστορίας με βάση σημαντικά γεγονότα, που συνήθως αποτελούν σημεία τομής με την προηγούμενη κατάσταση. Η διάκριση περιόδων πάντα εμπεριέχει απλουστεύσεις και προσεγγίσεις αλλά ταυτόχρονα βοηθά στο να μελετηθεί πιο εύκολα και πιο αποτελεσματικά η ιστορία.

    Αν θέλαμε λοιπόν να ορίσουμε ένα σημείο ορόσημο για την ιστορία της Κοσμολογίας και την ανάδυση της ως επιστημονικού αντικειμένου, αυτό θα ήταν σίγουρα η δημοσίευση τον Νοέμβριο του 1915 της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) από τον Albert Einstein. Η εφαρμογή των εξισώσεων πεδίου του Einstein δυο χρόνια αργότερα οδήγησε και στα πρώτα μοντέλα για το Σύμπαν. Ο ίδιος ο Einstein ήταν από τους πρώτους που χρησιμοποίησαν τις εξισώσεις πεδίου της νέας του θεωρίας για τη βαρύτητα για να παρουσιάσει το δικό του μοντέλο. Το Σύμπαν του Einstein ήταν χωρικά κλειστό, στατικό και χρονικά άπειρο. Με την πρώτη ιδιότητα εξέλιπε και η ανάγκη για συνοριακές συνθήκες. Για να είναι ωστόσο στατικό, θα έπρεπε να υπάρχει ένας παράγοντας που να αναιρεί την τάση των σωμάτων που το απαρτίζουν να έλκονται μεταξύ τους. Ο παράγοντας αυτός είναι η περίφημη σταθερά λ, η κοσμολογική σταθερά (cosmological constant), στις εξισώσεις πεδίου του Einstein.

        \[ R_\mu_\nu-1/2\ g_\mu_\nu\ R-\lambda g_\mu_\nu=-8\pi GT_\mu_\nu \]

    με, λ=8ρπG, όπου ρ είναι η πυκνότητα της μάζας του Σύμπαντος, G η παγκόσμια βαρυτική σταθερά και Τμν , ο τανυστής ορμής – ενέργειας (Weinberg, 1989). Η κοσμολογική σταθερά, μπορούσε να θεωρηθεί ένας όρος που δρούσε ως αρνητική πίεση εξισορρόπησης της βαρύτητας. Το μοντέλο του Einstein βασιζόταν στην πίστη του πως σε μια συνεπή θεωρία σχετικότητας, η αδράνεια ενός σώματος δεν θα έπρεπε να σχετίζεται με τον χώρο αλλά με τη σχετική του θέση ως προς άλλα σώματα[1]. Επίσης, για να αποφύγει προβλήματα συνοριακών συνθηκών, πρότεινε ένα μοντέλο για ένα Σύμπαν χωρικά πεπερασμένο και κλειστό, με ομογενή κατανομή των μαζών σε αυτό (Einstein, 1917).

    Την ίδια εποχή, με τον Einstein, ο Willem de Sitter βασιζόμενος στις εξισώσεις πεδίου του πρώτου, παρουσίασε το δικό του μοντέλο για το Σύμπαν. Το μοντέλο του de Sitter ήταν μια μαθηματική κατασκευή χωρίς ύλη και αφορούσε ένα Σύμπαν επίσης στατικό στο οποίο η ύλη μπορούσε να προστεθεί αργότερα (Realdi, 2019).

    Και τα δύο αυτά μοντέλα βασισμένα, στην καινούργια θεωρία, δεν έτυχαν ευρείας αποδοχής από την, εξαιρετικά μικρή, κοινότητα των φυσικών που καταπιάνονταν με αυτά τα προβλήματα. Ο Arthur Eddington μάλιστα, έδειξε πως το στατικό Σύμπαν του Einstein ήταν εξαιρετικά ασταθές, και, έστω και μια μικρή διαταραχή στην πυκνότητά του, θα οδηγούσε στη διαστολή ή την κατάρρευση του.Εικόνα 1: Όρθιοι από αριστερά· Albert Einstein, Paul Ehrenfest, και Willem de Sitter. Στην πρώτη σειρά Arthur Eddington (αριστ.) και Hendrik Lorentz (δεξ.) Credits: H. van Batenburg – Credit: Leiden Archives.Στις αρχές τις δεκαετίας του 1920, ήταν ο Georges Lemaitre και ο Alexander Friedmann που διατύπωσαν τα πρώτα εξελικτικά μοντέλα για το Σύμπαν βασιζόμενοι στη ΓΘΣ. Και οι δύο θεωρούν πως το Σύμπαν έχει εξελιχθεί από ένα αρχικό στάδιο, το πρωταρχικό άτομο κατά Lemaitre, στο οποίο οι συνθήκες ήταν πολύ διαφορετικές από τις σημερινές.Εικόνα 2: Alexander Friedmann (1988 – 1925). Από τους πρωτοπόρους της μελέτης του Σύμπαντος. Η σημασία του έργου του, αναγνωρίστηκε εν πολλοίς μετά τον πρόωρο θάνατό του το 1925 από τύφο.Όλα τα παραπάνω μοντέλα στηρίζονταν σε διαφορετικές λύσεις των εξισώσεων πεδίου του Einstein και βασικές παραδοχές όπως η Κοσμολογική Αρχή[2] (Cosmological Principle). Την εποχή εκείνη το Σύμπαν ήταν ουσιαστικά ο Γαλαξίας μας ο οποίος από τις παρατηρήσεις δεν φαινόταν να εκτείνεται ή να συρρικνώνεται. Κι όμως, λίγα χρόνια αργότερα η κοσμοεικόνα μας άλλαξε δραστικά. Το 1925 ο Edwin Hubble έδειξε πως τα σπειροειδή νεφελώματα που παρατηρούσαν στον ουρανό, ανάμεσά τους και αυτό της Ανδρομέδας, βρίσκονται εξαιρετικά μακριά για να αποτελούν μέρος του Γαλαξία μας και πως πρόκειται στην πραγματικότητα για έξω-γαλαξιακά αστρικά συστήματα, παρόμοια με τον δικό μας Γαλαξία.

    Δεν πέρασαν, παρά μόνο λίγα χρόνια, ώστε ο Hubble να δημοσιεύσει το 1929 την επόμενη εντυπωσιακή του ανακάλυψη. Παρατηρώντας τα φάσματα εκπομπής 24 γαλαξιών έδειξε πως αυτά είναι μετατοπισμένα προς το ερυθρό, άρα απομακρύνονται από εμάς (τον Γαλαξία μας), και μάλιστα η ταχύτητα απομάκρυνσης είναι ανάλογη της απόστασης από τη Γη (Hubble, 1929). «Υπέροχα!» θα αναφωνούσαν κάποιοι. Αν όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς, έστω και έτσι επαναφέρουμε τον Γαλαξία μας στο κέντρο του Κόσμου. Η πραγματικότητα είναι βέβαια διαφορετική. Όλο το Σύμπαν διαστέλλεται και για αυτό όλοι οι γαλαξίες που το απαρτίζουν απομακρύνονται μεταξύ τους.Εικόνα 3: Το διάγραμμα ταχύτητας απομάκρυνσης – απόστασης για τους 24 γαλαξίες που μελέτησε αρχικά ο Edwin Hubble (μαύρα σημεία). (Hubble, 1929)Το ερώτημα της συσχέτισης της ταχύτητας κίνησης των έξω-γαλαξιακών νεφελωμάτων με την απόστασή τους από τη θέση της Γης είχε ερευνηθεί και τα προηγούμενα χρόνια από άλλους ερευνητές όπως ο Gustaf Stromberg, αλλά δεν είχαν δείξει κάποια συγκεκριμένη συσχέτιση (Stromberg, 1925). Και όπως αναφέραμε παραπάνω, η περίπτωση του διαστελλόμενου Σύμπαντος είχε ήδη περιγραφεί θεωρητικά, σε  ανεξάρτητες εργασίες, από τους Lemaitre και Friedman και επίσης είχε προβλεφθεί η μετατόπιση προς το ερυθρό των φασμάτων των μακρινών νεφελωμάτων (των μετέπειτα γαλαξιών) (Friedmann, 1999 και Lemaitre, 1927). Ωστόσο, η επιβεβαίωση μέσω των παρατηρήσεων αυτής της υπόθεσης υπήρξε ένα καθοριστικό, όσο και επαναστατικό βήμα, στην εξέλιξη της σύγχρονης Κοσμολογίας. Η μετάβαση από ένα αιώνιο και στατικό Σύμπαν, σε ένα, που εξελίσσεται και μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, βρήκε αρκετές αντιδράσεις, μεταξύ των οποίων και του ίδιου του Edwin Hubble, ο οποίος προσπάθησε να αποδώσει τη μετατόπιση προς το ερυθρό, σε άλλα αίτια (Smith, 2019).

    ΤΟ ΠΡΩΤΑΡΧΙΚΟ ΑΤΟΜΟ ΚΑΙ ΤΟ BIG BANG

    Αν και οι συζητήσεις για το τέλος και την αρχή του κόσμου είχαν απασχολήσει και στο παρελθόν τους επιστήμονες, αυτό γινόταν κυρίως, αντιμετωπίζοντας το Σύμπαν, ως ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Η ΓΘΣ όμως εμφάνισε νέες δυνατότητες στην διατύπωση θεωριών κυρίως για τα αρχικά στάδια του Σύμπαντος. Η πρώτη αναφορά σε μια αρχική κατάσταση του Σύμπαντος ανήκει στον Friedmann, ο οποίος με δύο εργασίες το 1922 και το 1924, περιγράφοντας ένα ομογενώς διαστελλόμενο Σύμπαν, με μηδενική αρχική ακτίνα και σημερινή τιμή R=R0 σημειώνει:Ο χρόνος από τη δημιουργία του σύμπαντος, είναι το χρονικό διάστημα ανάμεσα στις στιγμές που το σύμπαν είχε ακτίνα R=0 και R=R0 · και ο χρόνος αυτός μπορεί να είναι άπειρος (Friedmann, 1999).Οι εργασίες του Friedmann, δημοσιευμένες στη Γερμανία, ενώ ο ίδιος ζούσε και εργαζόταν στη Σοβιετική Ένωση, δεν έγιναν άμεσα, ευρέως, γνωστές στην κοινότητα των φυσικών της εποχής. Ο Einstein πάντως ήταν γνώστης της ιδέας του για το διαστελλόμενο Σύμπαν και διαφωνούσε με αυτή.

    Ανεξάρτητα από τον Friedmann, ο Georges Lemaitre δημοσιεύει το 1927 τη δική του εκδοχή για ένα διαρκώς εκτεινόμενο Σύμπαν, βασιζόμενος και στα πρώτα αποτελέσματα για τις ταχύτητες των υπέρ-γαλαξιακών νεφελωμάτων από τους Hubble και Stromberg (Lemaitre, 1927). Ο Lemaitre περιγράφει ένα Σύμπαν με σταθερή μάζα, μη μηδενική κοσμολογική σταθερά και με διαρκώς αυξανόμενη ακτίνα. Η τελευταία αυξάνεται διαρκώς από μια αρχική τιμή, αλλά ο χρόνος που διαρκεί αυτή η αύξηση, όπως και στο μοντέλο του Friedmann, μπορεί να είναι άπειρος. Με την ιδέα του Lemaitre διαφωνούσε τόσο ο Einstein όσο και ο Arthur Eddington, ο οποίος αν και είχε δείξει την αστάθεια του στατικού Σύμπαντος του Einstein, θεωρούσε αποκρουστική την έννοια της αρχής του Σύμπαντος. Η άποψη του Lemaitre διατυπώνεται σε ένα σύντομο και περιγραφικό γράμμα στο περιοδικό Nature το 1931. Εκεί, εκκινώντας από τις ιδέες πως, πρώτον η ενέργεια του Σύμπαντος κατανέμεται σε διακριτά κβάντα και δεύτερον τα κβάντα ενέργειας διαρκώς αυξάνονται, καταλήγει στο συμπέρασμα πως σε προηγούμενο χρόνο, η ενέργεια θα ήταν κατανεμημένη σε πολύ λιγότερα, ακόμα και σε ένα κβάντο. Σε αυτό το πρωταρχικό άτομο οι έννοιες του χώρου και του χρόνου θα στερούνται νοήματος.Αν η έρευνα στη κβαντική θεωρία μελλοντικά στραφεί σε αυτή την κατεύθυνση, θα μπορούσαμε να συλλάβουμε την αρχή του Σύμπαντος στη μορφή ενός μόνο ατόμου, η ατομική μάζα του οποίου θα ήταν η ολική μάζα του Σύμπαντος. […] Η ιστορία του κόσμου δεν είναι κατ’ ανάγκη γραμμένη στο πρώτο άτομο όπως η φωνή σε ένα δίσκο φωνογράφου. Ολόκληρη η μάζα του Σύμπαντος μπορεί να είναι εκεί από την αρχή, αλλά η ιστορία του ίσως να γράφεται βήμα βήμα (Lemaitre, 1931).Τα μοντέλα εξέλιξης του Σύμπαντος υπό το φως της ανακάλυψης του διαστελλόμενου  σύμπαντος συνέχισαν να απασχολούν την κοινότητα των φυσικών. Ο επόμενος σημαντικός σταθμός, όμως, έρχεται μετά τον Β! Παγκόσμιο Πόλεμο από τον George Gamow. Ο Gamow προτείνει μια θεωρία εξέλιξης του Σύμπαντος που προέρχεται από μια αρχική κατάσταση εξαιρετικά υψηλής ενέργειας και πυκνότητας. Συνδυάζοντας τις γνώσεις του στην ΓΘΣ αλλά και την πυρηνική φυσική ο Gamow περιγράφει τα στάδια δημιουργίας των διάφορων στοιχείων από ένα τέτοιο αρχικό στάδιο και μάλιστα προβλέπει την αφθονία των νετρονίων και των πρωτονίων σε συνάρτηση με τον χρόνο (Gamow, 1948). Μερικά χρόνια αργότερα, το 1953, ο Gamow προβλέπει και την ύπαρξη μιας ακτινοβολίας υποβάθρου, απομεινάρι της εποχής που στο σύμπαν κυριαρχούσε ακόμα η ακτινοβολία, την οποία προσδιορίζει στους 7 βαθμούς Kelvin στην εποχή μας, λόγω της διαστολής του Σύμπαντος.Εικόνα 4: George Gamow (1904 – 1968). Από τους σημαντικότερους φυσικούς του 20ου αιώνα που διακρίθηκε σε πολλά και διαφορετικά πεδία. Υπήρξε ο πατέρας του Big Bang Theory.Η ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ

    H θεωρία για την εξέλιξη του Σύμπαντος από τον Gamow έγινε ιδιαίτερα δημοφιλής μετά τη δεκαετία του 1960 ως Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης[3](Big Bang Theory, ΘΜΕ) όρος που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Την ίδια χρονιά βέβαια, το 1948, παρουσιάστηκε από τους Fred Hoyle, Hermann Bondi και Thomas Gold μία εναλλακτική θεωρία για το Σύμπαν, αυτή της Σταθερής Κατάστασης (Steady State Theory, ΘΣΚ). Βασική αρχή αυτής της θεωρίας ήταν πως το Σύμπαν δεν είναι ομογενές και ισότροπο μόνο χωρικά, αλλά και χρονικά, δηλαδή φαίνεται το ίδιο όχι μόνο από οποιοδήποτε σημείο του, αλλά και οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Για να ισχύει αυτή η διευρυμένη κοσμολογική αρχή και η πυκνότητα του Σύμπαντος να παραμένει σταθερή, συνεπάγεται πως υπάρχει κάποιος μηχανισμός δημιουργίας καινούργιας ύλης (Kragh, 2019). Η παραπάνω θεωρία παραβιάζει προφανώς την αρχή διατήρησης της ενέργειας αλλά, οι δημιουργοί της, το θεωρούσαν ένα μικρό τίμημα ώστε να αποκτήσουμε μια καλή κοσμολογική θεωρία.

    Η ΘΣΚ είχε αρκετή απήχηση για κάποια χρόνια και αυτό οφείλεται και στο γεγονός πως το πρώτο σύγγραμμα με τον όρο Κοσμολογία, γράφτηκε από τον Bondi το 1952 και αποτέλεσε οδηγό για τις σπουδές σε αυτό το πεδίο για περίπου δύο δεκαετίες. Στο βιβλίο δεν παρουσιαζόταν μόνο η ΘΣΚ αλλά ωστόσο κατείχε σημαντική θέση. Τονίζουμε την σημασία του πρώτου συγγράμματος Κοσμολογίας, καθώς, διαχρονικά, η δημιουργία των επιστημονικών κοινοτήτων συνδέεται με την ύπαρξη κοινών σημείων αναφοράς, όπως είναι η δημιουργία πανεπιστημιακών τμημάτων και η διδασκαλία με κοινά συγγράμματα.

    Αν και οι υποστηρικτές της ΘΣΚ ήταν αρκετοί και ένθερμοι, και υποστήριζαν πως η θεωρία εξηγεί καλύτερα τα παρατηρησιακά δεδομένα, μια τυχαία ανακάλυψη το 1965 θα έβαζε τέλος στην πορεία της. Στα εργαστήρια της εταιρείας Bell, οι Arno Penzias και Robert Wilson, πειραματίζονταν σε μια καινούργια κεραία μικροκυμάτων, η οποία λάμβανε σήματα μήκους κύματος εφτά εκατοστών, για να μπορέσουν να εγκαταστήσουν μια σύνδεση με επικοινωνιακούς δορυφόρους της εταιρείας. Ωστόσο, στις μετρήσεις τους έβρισκαν πάντα και προς όλες τις κατευθύνσεις μια ακτινοβολία μικροκυμάτων που δεν μπορούσε να προέρχεται από δορυφόρους. Οι Penzias και Wilson απομόνωσαν την ακτινοβολία αυτή και αναγνώρισαν το φάσμα της ως αντίστοιχο, όπως ενός μέλανος σώματος, με θερμοκρασία 3.5±1 Κ.

    H σημασία της ανακάλυψης αυτής δεν αναγνωρίστηκε αμέσως από τους Penzias και Wilson, οι οποίοι αν και προσδιόρισαν πως η ακτινοβολία δεν μπορεί να προέρχεται από τον γαλαξία μας, αδυνατούσαν να ερμηνεύσουν την προέλευσή της. Ωστόσο την ίδια περίοδο, λίγα χιλιόμετρα δυτικότερα, στο Πανεπιστήμιο του Princeton, μια άλλη ομάδα, υπό τον Robert Dicke, ανέπτυσσε ένα μοντέλο Μεγάλης Έκρηξης στο οποίο προβλεπόταν η ύπαρξη μιας Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (Cosmic Microwave Background Radiation). Η γνωστοποίηση της ανακάλυψης των Penzias και Wilson ήρθε να επιβεβαιώσει αυτή την πρόβλεψη και να καθορίσει τον νικητή στη διαμάχη για το επικρατέστερο κοσμολογικό μοντέλο. Η ΘΣΚ δέχτηκε ένα ισχυρό πλήγμα από τις αστρονομικές παρατηρήσεις και από τότε ουσιαστικά εξαφανίστηκε. Η μορφή του φάσματος της ακτινοβολίας δεν συμφωνούσε πλήρως ούτε με τις προβλέψεις του Gamow μια δεκαετία νωρίτερα, ούτε με αυτές των Dicke, Peebles κ.α., ωστόσο αυτές οι διαφορές καλύφθηκαν στην πορεία με νέες παρατηρήσεις αλλά και την εισαγωγή της σκοτεινής ύλης (dark matter) ως σημαντικού συστατικού του Σύμπαντος.

    Η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου αποτελεί σταθμό στην ανάπτυξη της κοσμολογίας διότι πρώτον, αποτέλεσε μια επιβεβαίωση των θεωριών εξέλιξης του Σύμπαντος που είχαν διατυπωθεί ήδη, λειτουργώντας όπως ακριβώς η εύρεση απολιθωμάτων εξαφανισμένων οργανισμών για τη Θεωρία της Εξέλιξης (Evolution Theory). Δεύτερον, η μελέτη του φάσματός της έδωσε και εξακολουθεί και δίνει και σήμερα, σημαντικά δεδομένα για τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος και, επίσης, τρίτον, υπήρξε η αρχή και η βάση αυτού που ονομάζουμε σήμερα Κοσμολογία Ακριβείας (Precision Cosmology).

    «ΣΩΖΕΙΝ ΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ;»– ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ – ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ – ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

    Η ΘΜΕ είχε σημαντικές επιτυχίες στην εξήγηση των παρατηρησιακών δεδομένων όπως, της διαστολής του Σύμπαντος, του τρόπου δημιουργίας των διάφορων στοιχείων και των συγκεντρώσεών τους, και φυσικά της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Όπως συμβαίνει όμως συχνά με διάφορες όμορφες και μαθηματικά άρτιες θεωρίες, υπάρχουν κάποια δεδομένα που λένε όχι, κάποιες παρατηρήσεις που δεν ταιριάζουν με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές.

    Στο πεδίο της μελέτης της δομής του Σύμπαντος τα πρώτα τέτοια στοιχεία ήρθαν πολύ νωρίς, μερικά μόλις χρόνια από την ανακάλυψη άλλων γαλαξιών εκτός από τον δικό μας. Το 1933, ο αυστριακός αστρονόμος Fritz Zwicky, μελετώντας ομάδες γαλαξιών παρατήρησε πως οι γαλαξίες περιστρέφονται γύρω από το κέντρο μάζας της ομάδας τους με ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτές που θα αναμενόταν εξ’ αιτίας της ορατής τους μάζας, σαν να υπήρχε μια ποσότητα ύλης αόρατης σε εμάς (Bertone & Hooper, 2018). Ο Zwicky υπολόγισε την ποσότητα αυτής της σκοτεινής ύλης[4], που χρειαζόταν ώστε να ερμηνευθεί η κίνηση των γαλαξιών και είδε πως υπερτερούσε κατά πολύ της φωτεινής ύλης των Γαλαξιών. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν οπωσδήποτε εντυπωσιακό. Όσο για τη φύση αυτής της σκοτεινής ύλης, ο ίδιος εξηγεί σε δημοσίευση του 1937:[…] θα πρέπει να ξέρουμε το ποσό της σκοτεινής ύλης που είναι ενσωματωμένο στα νεφελώματα, με τη μορφή ψυχρών αστέρων, μικροσκοπικών αλλά και μακροσκοπικών σωμάτων και αερίων (Bertone & Hooper, 2018)Οι επόμενες σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη άγνωστης ύλης στους γαλαξίες ήταν η μελέτη των καμπυλών των ταχυτήτων περιστροφής των αστέρων σε ένα γαλαξία. Μεταξύ άλλων, η Vera Rubin και ο Kent Ford μελετώντας τις ταχύτητες των αστέρων του γαλαξία της Ανδρομέδας, παρατήρησαν πως αυτές δεν μειώνονται καθώς αυξάνεται η απόσταση από το κέντρο του γαλαξία, όπου είναι συγκεντρωμένο και το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Η παρατήρηση αυτή ερχόταν σε αντίθεση με τις βασικές αντιλήψεις μας για το βαρυτικό πεδίο. Θα χρειαζόταν μια αύξηση στη μάζα του γαλαξία, όχι όμως κατανεμημένη στην κεντρική του περιοχή, για να εξηγηθούν οι επίπεδες καμπύλες της ταχύτητας περιστροφής. Οι Rubin και Ford[5] δεν προχώρησαν στο επόμενο βήμα, να υιοθετήσουν δηλαδή την ανάγκη ύπαρξης κάποιας μορφής σκοτεινής ύλης (de Swart, et al., 2017).Εικόνα 5: Οι ταχύτητες περιστροφής στον γαλαξία Μ31, ως συνάρτηση της απόστασής τους από το κέντρο. Η συνεχής γραμμή είναι η βέλτιστη προσαρμοσμένη καμπύλη. (Rubin & Ford, 1970).Για να μπορέσει να εισαχθεί όρος της σκοτεινής ύλης στα αστρονομικά και κοσμολογικά μοντέλα, έπρεπε να προηγηθεί ένα ακόμα στάδιο. Στη δεκαετία του 1970 η κοσμολογία, ως το αντικείμενο μελέτης του Σύμπαντος στην ολότητά του, κέρδιζε το ενδιαφέρον αρκετών επιστημόνων. Ένα από τα κύρια κοσμολογικά προβλήματα της εποχής ήταν ο καθορισμός της πυκνότητας της ύλης στο Σύμπαν. Αυτό με τη σειρά του θα καθόριζε αν ζούμε σε ένα κλειστό, ανοιχτό, ή επίπεδο Σύμπαν. Για αισθητικούς ή φιλοσοφικούς λόγους οι περισσότεροι επιστήμονες ήταν υπέρ ενός κλειστού Σύμπαντος. Η μετρούμενη πυκνότητα ύλης όμως, υπολειπόταν κατά περίπου 2 τάξεις μεγέθους από την κρίσιμη πυκνότητα, ώστε το Σύμπαν να χαρακτηριστεί ως κλειστό. Ήταν αυτή η ανάγκη που φώτισε τις ξεχασμένες εργασίες του Zwicky και τις πιο πρόσφατες των Rubin, Ford, κ.α.  και οδήγησε τους κοσμολόγους στην υιοθέτηση μιας σκοτεινής ύλης η οποία αυξάνει κατά πολύ τη μάζα των γαλαξιών άρα και τη μέση πυκνότητα ύλης του Σύμπαντος (de Swart, et al., 2017).Εικόνα 6: Η Vera Rubin, το 1974 μελετώντας ένα φάσμα στο Carnegie Institution,  Washington, D.C.Credit: NOIRLab/NSF/AURA.Η φύση της σκοτεινής ύλης, κάποιας μορφής ύλης δηλαδή, που αλληλεπιδρά μονάχα βαρυτικά με τη γνωστή μας ύλη, παραμένει μέχρι και σήμερα άγνωστη. Πολλά υποψήφια σωματίδια έχουν προταθεί ή και άλλες λύσεις, όπως η ύπαρξη αρχέγονων μαύρων τρυπών. Σε θεωρητικό επίπεδο, σωματίδια σκοτεινής ύλης έχουν προβλεφθεί μέσω του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, ωστόσο κανένα δεν έχει ανιχνευθεί ακόμα πειραματικά. Επίσης, είναι πολύ πιθανό η σκοτεινή ύλη, όπως και η γνωστή μας βαρυονική ύλη, να μην αποτελείται από ένα μόνο είδος σωματιδίων αλλά από πολλά. Η ύπαρξή της πάντως, βεβαιώνεται πια με διάφορους τρόπους, όπως η ύπαρξη φαινομένων βαρυτικών φακών και οι ανισοτροπίες στο φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Ακόμα και αν στο μέλλον δεχτούμε νέες ή τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας, φαίνεται πως η σκοτεινή ύλη έχει έρθει για να μείνει.

    Επόμενη σημαντική ιδέα για την εξέλιξη της σύγχρονης μελέτης του Σύμπαντος αποτέλεσε η εισαγωγή στη δεκαετία του 1980 ενός πληθωριστικού σταδίου (inflationary epoch) στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα που αντιμετώπιζε η κοσμολογία της εποχής ήταν η εξαιρετική ομοιομορφία του Σύμπαντος. Ακόμα και περιοχές οι οποίες βρίσκονται τόσο μακριά μεταξύ τους που με βάση την ηλικία του Σύμπαντος δεν θα έπρεπε να έχουν προλάβει να αλληλεπιδράσουν αιτιακά μεταξύ τους παρουσιάζουν ακριβώς την ίδια εικόνα. Το παράδοξο αυτό, το επονομαζόμενο και πρόβλημα του ορίζοντα[6] (horizon problem) μπορεί να λυθεί με την εισαγωγή ενός σταδίου εξαιρετικά βίαιης, εκθετικής διαστολής του Σύμπαντος κατά τις πρώτες του στιγμές. Το στάδιο αυτό, που ονομάστηκε πληθωρισμός, προτάθηκε το 1981 από τον Alan Guth, αν και προηγούμενη συνεισφορά σε παρόμοιες ιδέες είχαν και άλλοι επιστήμονες τόσο από τις ΗΠΑ όσο και από την ΕΣΣΔ.[7] Το πληθωριστικό στάδιο, όπως αναφέρει ο Guth, λύνει δύο βασικά προβλήματα. Τόσο το πρόβλημα του ορίζοντα, στο οποίο αναφερθήκαμε παραπάνω, όσο και το πρόβλημα του επίπεδου Σύμπαντος που θα απαιτούσε μια καλά συντονισμένη (fine tuned) τιμή της σταθεράς του Hubble για να επιτευχθεί (Guth, 1981).

    Η εισαγωγή αυτού του σταδίου, στη διάρκεια του οποίου το νεαρό Σύμπαν υπόκειται σε μια διαδικασία ανάλογη μιας μετάβασης φάσης, έχει και άλλα παράπλευρα οφέλη όπως τη σύνδεση με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων και τις ενοποιητικές θεωρίες. Επίσης, εξηγεί την μη ύπαρξη μαγνητικών μονόπολων στο Σύμπαν. Ίσως το μεγαλύτερο όμως όφελος από τη θεωρία του Guth, είναι πως έφερε την κοσμολογία πιο κοντά στα ενδιαφέροντα των φυσικών στοιχειωδών σωματιδίων και υψηλών ενεργειών. Με αυτό τον τρόπο η κοινότητα της κοσμολογίας ανανεώθηκε τόσο σε ιδέες όσο και σε ανθρώπινο δυναμικό (Longair & Smeenk, 2019).

    Το μεγάλο πρόβλημα όμως παραμένει, πως είναι άγνωστο ποιο ήταν εκείνο το πεδίο που οδήγησε το πρώιμο Σύμπαν στο πληθωριστικό του στάδιο. Το συγκεκριμένο θέμα είναι αμφιλεγόμενο στους κόλπους της κοινότητας των φυσικών, αλλά η μελέτη του ξεφεύγει από τους στόχους αυτού του άρθρου[8].

    Ο τελευταίος, μέχρι τώρα, σημαντικός σταθμός στην εξέλιξη της κοσμολογίας είναι δίχως αμφιβολία η ανακάλυψη το 1998, την ίδια περίοδο από δύο ανεξάρτητες μεταξύ τους ομάδες, της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Το γεγονός αυτό ήρθε να βάλει τέλος στο ερώτημα για την ύπαρξη, ή μη, της περίφημης κοσμολογικής σταθεράς του Einstein. Η κοσμολογική σταθερά, όπως προκύπτει από τις εξισώσεις πεδίου της ΓΘΣ, είναι μη μηδενική και έχει μια θετική τιμή. Ο επιταχυνόμενος ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος μας κάνει να υποθέτουμε πως υπάρχει κάτι στο Σύμπαν που λειτουργεί ως αρνητική πίεση, ως αντιβαρύτητα και κάνει το Σύμπαν να μην επιβραδύνει τη διαστολή του, παρά την ύπαρξη βαρυτικών δυνάμεων. Δυστυχώς, η φύση της σκοτεινής ενέργειας παραμένει πιο αμφίβολη ακόμα και από αυτή της σκοτεινής ύλης. Παραμένει άγνωστο αν οφείλεται σε κάποιο πεδίο, αν σχετίζεται με την ενέργεια κενού της κβαντικής θεωρίας πεδίου ή αν είναι απλά μια σταθερά της γεωμετρίας του Σύμπαντος, μια εγγενής ιδιότητά της (Longair & Smeenk, 2019).Εικόνα 7: Η κατανομή της ολικής ύλης-ενέργειας του Σύμπαντος σε σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη και βαρυονική ύλη. Credit: Astronomy: Roen Kelly, after NIST.Η ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΣΤΟΝ 21Ο ΑΙΩΝΑ – ΜΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ

    Ήδη από την ανακάλυψη της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου η κοσμολογία μπορεί να θεωρηθεί μια επιστήμη που βασίζεται στα παρατηρησιακά δεδομένα και όχι απλά σε θεωρητικά μοντέλα βασισμένα στις γνωστές και καλά εδραιωμένες θεωρίας της φυσικής. Στα χρόνια που πέρασαν από την ανακοίνωση της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος (Turner, 1999) όμως έχει συντελεστεί μια σπουδαία αύξηση του όγκου των δεδομένων και των μεθόδων παρατήρησης στην κοσμολογία. Η μελέτη του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας από το πρόγραμμα COBE της NASA και του αντίστοιχου προγράμματος Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, τα δεδομένα από τα επίγεια αλλά και τα δορυφορικά τηλεσκόπια αλλά και οι καταγραφές του πρώτου συμβολόμετρου βαρυτικών κυμάτων (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO), έχουν οδηγήσει σε αυτό που ονομάζεται κοσμολογία ακριβείας (Turner, 2022).

    Όλα τα παραπάνω έχουν οδηγήσει στην ευρεία αποδοχή ενός Καθιερωμένου Προτύπου για την Κοσμολογία, του Λ-CDM, δηλαδή ενός μοντέλου που βασίζεται στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, με τις προσθήκες της σκοτεινής ύλης (Cold Dark Matter) και της σκοτεινής ενέργειας (με τη μορφή της κοσμολογικής σταθεράς – Λ). Το μοντέλο ΛCDM υποστηρίζεται πια από ένα τεράστιο πλήθος και διαφορετικού είδους παρατηρήσεων. Ορισμένα προβλήματα φυσικά παραμένουν, όπως η απόκλιση στις μετρήσεις της σταθεράς του Hubble καθώς και το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Τα ερωτήματα για τη φύση της σκοτεινής ύλης και, κυρίως, της σκοτεινής ενέργειας επίσης παραμένουν με τους επιστήμονες να ελπίζουν πως η έρευνα, τουλάχιστον για τη σκοτεινή ύλη, να αποδώσει σύντομα καρπούς.

    Μία άλλη μεγάλη μεταβολή που έχει συντελεστεί στην κοσμολογία τον 21ο αιώνα είναι η αύξηση του κύρους της και της θέσης της ανάμεσα στην κοινότητα των φυσικών. Αυτό αποτυπώνεται στον αριθμό των δημοσιεύσεων, στο πλήθος των επιστημόνων που ασχολούνται στον τομέα αλλά και στη χρηματοδότηση της έρευνας. Μόλις το 2022 μπήκε σε λειτουργία το James Webb Space Telescope, με κόστος κατασκευής και λειτουργίας δέκα δισεκατομμύρια δολάρια, που ήδη στέλνει παρατηρήσεις και δεδομένα για τις απόμακρες περιοχές του Σύμπαντος. Υπάρχουν επίσης σχέδια για την κατασκευή ενός διαστημικού συμβολόμετρου ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Η παρατήρηση του Σύμπαντος μέσω των βαρυτικών κυμάτων, που επιτεύχθηκε στο LIGO το 2015, άνοιξε για πρώτη φορά ένα νέο παράθυρο θέασης του κόσμου, που οι επιστήμονες ευελπιστούν πως θα φωτίσει πολλές σκοτεινές περιοχές της γνώσης μας για τον κόσμο.

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

    Η πορεία της κοσμολογίας κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό χρόνων άλλαξε δραστικά την εικόνα που έχουμε για τον Κόσμο. Παρά τις αναμφίβολες επιτυχίες της όμως, καθώς και την εξέλιξη της σε μια επιστήμη ακριβείας, δεν στερείται προβλημάτων και ανοιχτών ερωτημάτων που περιμένουν απάντηση. Ίσως, η επόμενη μεγάλη αλλαγή στη φυσική να κυοφορείται ήδη στους κόλπους της Κοσμολογίας και στις προσπάθειες ερμηνείας της δομής του Σύμπαντος.

    Ανάμεσα στις απαντήσεις που προτείνονται στο πλαίσιο της κοσμολογίας ανήκουν πολλές, όπως η θεωρία για το πολύ-Σύμπαν (Multiverse), που εγείρουν ερωτηματικά για τηνΕικόνα 8: Η θέση και η τροχιά του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb Credits: NASA, ESA, CSA, STScI. Η εικόνα δεν είναι υπό κλίμακα.επιστημονικότητά τους. Τέτοιου είδους θεωρίες μας κάνουν να αναρωτιόμαστε για τα όρια της επιστήμης και αν μπορεί να περιλαμβάνει θεωρίες που μπορούν να ερμηνεύσουν τα πάντα και για τον λόγο αυτόν, δεν μπορούν να διαψευστούν. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει λοιπόν η Κοσμολογία και από την πλευρά της Φιλοσοφίας της Επιστήμης. Αλλά αυτό είναι ένα ζήτημα που θα πρέπει να το προσεγγίσουμε σε επόμενο άρθρο.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Θόδωρο Αραμπατζή και Αντώνη Αντωνίου για τις χρήσιμες και εύστοχες παρατηρήσεις τους.

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Οι ιδέες του Einstein για τη σχετικότητα του χώρου, του χρόνου αλλά και της αδράνειας ήταν επηρεασμένες από τις αντίστοιχες θέσεις του Ernst Mach.

    [2] Η Κοσμολογική Αρχή υποστηρίζει πως το Σύμπαν, σε μεγάλη κλίμακα, είναι ομογενές και ισότροπο. Είναι δηλαδή το ίδιο, και έχει τις ίδιες ιδιότητες από οποιοδήποτε σημείο, ή προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, το παρατηρούμε. Η κοσμολογική αρχή έχει τις ρίζες της στον Κοπέρνικο, για τον λόγο αυτόν συχνά εμφανίζεται και ως Κοπερνίκεια Αρχή, ο οποίος διατύπωσε την άποψη πως η Γη δεν κατέχει κάποια ξεχωριστή θέση στον Κόσμο. Η Κοσμολογική Αρχή επιβεβαιώνεται ισχυρά από τις σύγχρονες παρατηρήσεις.

    [3] Όπως αναπτύχθηκε και από τους Dicke, Peebles κ.α.

    [4] Έναν όρο που δεν χρησιμοποιεί πρώτος, αλλά έχει σε μεγάλο βαθμό πιστωθεί σε αυτόν.  Επίσης, ο λόγος της “σκοτεινής” προς την “φωτεινή” ύλη που υπολόγισε ο Zwicky, ήταν ιδιαίτερα αυξημένος εξ’ αιτίας λάθος παραμέτρων της εποχής, ωστόσο το πρόβλημα ήταν υπαρκτό.

    [5] Όπως και ο Kenneth Freeman που ανεξάρτητα έκανε παρόμοιες παρατηρήσεις την ίδια εποχή.

    [6] Ίσως κάποιος περίμενε, το πρόβλημα του ορίζοντα, να αφορά κάποιους γαλαξίες ή περιοχές που, όπως τις παρατηρούμε από τη Γη, βρίσκονται αντιδιαμετρικά στον ουράνιο θόλο. Αυτό δεν είναι ακριβές. Μπορεί να αφορά περιοχές που απέχουν μεταξύ τους ελάχιστες μόνο μοίρες στον ουράνιο θόλο. Κατά συνέπεια ο αριθμός των περιοχών που είναι αιτιακά ασύνδετες μεταξύ τους είναι τεράστιος. Ο Guth αναφέρει πως είναι της τάξης του ~1083 (Guth, 1981).

    [7] Ενδεικτικά αναφέρω τους Sidney Bludman, Andrei Linde, Yakov Zel’dovich

    [8] Για μια επισκόπηση του ζητήματος του πληθωρισμού, βλέπε (Steinhardt, 2011)ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Bertone, G., and Hooper, D., 2018. History of Dark Matter. Reviews of Modern Physics, 90(4), p. 045002. doi: 10.1103/RevModPhys.90.045002

    de Swart, J., Bertone, G., and van Dongen, J., 2017. How Dark Matter Came to Matter. Nature Astronomy, 1. https://doi.org/10.48550/arXiv.1703.00013

    Einstein, A., 1917. Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie. Sitz. König. Preuss. Akad., pp. 142-152. Αγγλική μετάφραση διαθέσιμη ως ‘Cosmological considerations on the general theory of relativity’ στο https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-trans/433

    Friedmann, A., 1999. On the Possibility of a World with Constant Negative Curvature of Space. General Relativity and Gravitation 31, 2001–2008.  Translation from: Z. Physik 21, 326–332 (1924). https://doi.org/10.1023/A:1026755309811

    Gamow, G., 1948. The Evolution of the Universe. Nature 162 (4122), 680–682. doi:10.1038/162680a0

    Guth, A., 1981. Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D 23(2), pp. 347-356. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.23.347

    Hubble, E., 1929. A relation between distance and radial velocity among extra-Galactic Nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 15 3, 168-73. https://doi.org/10.1073/pnas.15.3.168

    Kragh, H., 2019. Steady-State Theory and the Cosmological Controversy. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Lemaitre, G., 1927. A Homogeneous Universe of Constant Mass and Growing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extragalactic Nebulae. Annales Soc. Sci. Bruxelles A 47, 49-59, Gen. Rel. Grav. 45 (2013) 8, 1635-1646. https://doi.org/10.1007/s10714-013-1548-3

    Lemaitre, G., 1931. The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory. Nature 127, p. 706. https://doi.org/10.1038/127706b0

    Longair, M., and Smeenk, C., 2019. Inflation, dark matter, and dark energy. In: H. Kragh & M. Longair, eds. The Oxford Handbook of the History. New York: Oxford University Press, pp. 425-464. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Realdi, M., 2019. Relativistic Models and the Expanding Universe. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Rubin, V., and Ford, K., 1970. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophysical Journal 159, p. 379. doi:10.1086/150317

    Smith, R., 2019. Observation and the Universe. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Steinhardt, P., 2011. The Inflation Debate: Is the Theory at Heart of Modern Cosmology Deeply Flawed?. Scientific American 304, pp. 18-25. doi: 10.1038/scientificamerican0411-36

    Stromberg, G., 1925. Analysis of Radial Velocities of Globular Clusters and non-Galactic Nebulae. Astrophysical Journal 61, p. 353-362. doi: 10.1086/142897

    Turner, M., 1999. Cosmology solved? Maybe. Nuclear Physics B – Proceedings Supplements  72, p. 69–80. https://doi.org/10.48550/arXiv.astro-ph/9811366

    Turner, M., 2022. The Road to Precision Cosmology. Annual Review of Nuclear and Particle Science 72, pp. 1-33. https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.04741

    Weinberg, S., 1989. The Cosmological Constant Problem. Reviews of Modern Physics 61(1), p. 1-23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1
    Νίκος Αλεξίου, Εκπαιδευτικός, Φυσικός, Υποψήφιος Διδάκτωρας ΕΚΠΑ

    Ο Νίκος Αλεξίου έχει σπουδάσει Φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και εργάζεται ως εκπαιδευτικός στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση. Είναι κάτοχος μεταπτυχιακού διπλώματος ειδίκευσης στην Ιστορία και Φιλοσοφία της Επιστήμης και είναι υποψήφιος διδάκτορας της Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Κοσμολογίας. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα εστιάζουν στην ιστορική πορεία των θεωρητικών οντοτήτων της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας ώστε να αποτελούν σήμερα αναπόσπαστο μέρος του Καθιερωμένου Κοσμολογικού Προτύπου, και των φιλοσοφικών προεκτάσεών τους.