Από τον Albert Einstein ως σήμερα. Κοσμολογία Από τον Albert Einstein ως σήμερα. Από τους μαθητές: Επίσκοπος Γιάννης Ζαρωτιάδης Νίκος Καλύβης Γιώργος Καραγιαννάκης Άγγελος

Einstein και Σχετικότητα Ο Albert Einstein ήταν ο πρώτος που υποστήριξε ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι εύκαμπτοι, δημιουργώντας την έννοια του χωροχρόνου. Ο χωροχρόνος λειτουργεί ως μια λεία επιφάνεια που παραμορφώνεται με την παρουσία της ύλης. Η παραμόρφωση είναι ανάλογη με αυτή ενός τραμπολίνου στο οποίο τοποθετούμε μία μπάλα του μπόουλινγκ. Αν αφήσουμε ένα μπαλάκι του τένις σε οποιοδήποτε σημείο του τραμπολίνου, αυτό θα κινηθεί προς την μπάλα. Αντίστοιχα, αν τοποθετήσουμε μια άλλη μπάλα μπόουλινγκ, οι δύο μπάλες θα κινηθούν η μια προς την άλλη. Η καμπύλωση λοιπόν του χωροχρόνου είναι ανάλογη της ποσότητας της ύλης, δηλαδή την μάζα των αντικειμένων.

Συνέπεια Σχετικότητας Αν τώρα το τραμπολίνο είχε τις διαστάσεις του παρατηρήσιμου σύμπαντος και στη θέση κάθε γαλαξία τοποθετήσουμε από μία μπάλα, αυτές θα κινηθούν η μία προς την άλλη. Αν και η καμπύλωση σε απόσταση ετών φωτός είναι απειροελάχιστη, είναι ικανή με την πάροδο δισεκατομμυρίων ετών να συσσωρεύσει όλες τις μπάλες σε μία περιοχή. Ανάλογα, η καμπύλωση στη Θεωρία της Σχετικότητας είχε ως συνέπεια την σύγκλιση των γαλαξιών και, κατ’ επέκταση, την κατάρρευση του σύμπαντος. Λόγω της βαθιάς πίστης του στην άπειρη ηλικία του σύμπαντος, ο Albert Einstein επινόησε την κοσμολογική σταθερά που θα εξισορροπούσε την κατάρρευση. Ο Georges Lemaitre, όμως, δεν χρησιμοποίησε την σταθερά, προτείνοντας ένα δυναμικό σύμπαν, αλλά αγνοήθηκε.

Φαινόμενο Doppler Ο Doppler απέδειξε ότι η κίνηση ενός σώματος επηρεάζει τα κύματα που εκπέμπονται από αυτό. Συγκεκριμένα επηρεάζει το μήκος τους, όπως το βλέπει ένας ακίνητος παρατηρητής. Ας φανταστούμε έναν βάτραχο πάνω σε ένα νούφαρο να χτυπάει το πόδι του στο νερό, έτσι ώστε να δημιουργούνται κύματα που απέχουν μεταξύ τους 1m και κινούνται με ταχύτητα 1m/s (Α). Τώρα ο βάτραχος αρχίζει να κινείται προς τη δεξιά όχθη με ταχύτητα 0,5 m/s (Β). Ένας παρατηρητής στην δεξιά όχθη βλέπει τα κύματα να έχουν απόσταση 0,5m, ενώ ένας άλλος στην αριστερή 1,5m. Αυτό είναι το φαινόμενο Doppler.

Φασματοσκοπία Όπως γνωρίζουμε, το φως συμπεριφέρεται άλλοτε σαν κύμα και άλλοτε σαν σωματίδιο. Το μήκος κύματος του φωτός είναι υπεύθυνο για τα χρώματα που βλέπουμε. Επίσης, κάθε χημικό στοιχείο απορροφά ένα κομμάτι του φάσματος σε σχήμα ενός barcode. Αυτό το εκμεταλλεύτηκε η φασματοσκοπία προκειμένου να μελετήσει τη χημική σύσταση του ηλίου, των πλανητών και των άστρων.

Μετατοπίσεις προς το ερυθρό Οι ανακαλύψεις της φασματοσκοπίας έδειχναν οι αστέρες εξέπεμπαν φως σε «barcodes» παρόμοια με αυτό του ήλιου, μόνο μετατοπισμένα, κατά κύριο λόγο, προς το ερυθρό. Όσο κινούμαστε προς το ερυθρό, το μήκος κύματος μεγαλώνει. Αυτό σήμαινε σε πρώτο επίπεδο ότι οι γαλαξίες απομακρύνονταν μεταξύ τους. Άρα, το σύμπαν αποδείχθηκε δυναμικό

Ο νόμος του Hubble Ο Hubble με τις παρατηρήσεις του κατάφερε να βρει μια μαθηματική σχέση ανάμεσα στην ταχύτητα ενός γαλαξία και την απόστασή του από τη Γη. Η ταχύτητα υπολογίζονταν με την εξίσωση του Doppler, επομένως έγινε δυνατό να υπολογιστεί η απόσταση οποιουδήποτε γαλαξία. Οι αστρονόμοι γνωρίζοντας την απόσταση ενός γαλαξια και την ταχύτητά του, μπόρεσαν να εκτιμήσουν πριν πόσο χρόνο ο γαλαξίας αυτός συνέπιπτε με το δικό μας, αλλά και όλους τους άλλους. Η εκτίμηση έγινε αρχικά στα 1,8 δισεκατομμύρια χρόνια.

Μεγάλη Έκρηξη και Αιώνιο Σύμπαν Όπως ήταν αναμενόμενο, ξεκίνησαν διαμάχες μεταξύ των επιστημόνων πάνω στο ερώτημα: «Το σύμπαν δημιουργήθηκε ή υπήρχε πάντα;». Στοιχεία υπέρ της Μεγάλης Έκρηξης: Η κίνηση των γαλαξιών ήταν πλέον αποδεδειγμένη. Δεν υπήρχε καμία άλλη εξήγηση για τις μετατοπίσεις και οι απόπειρες για την προσθήκη κάποιας σταθεράς για την παγίωση των γαλαξιών ήταν μάταιες. Το σύμπαν είχε αποδειχθεί δυναμικό, και μάλιστα διαστελλόμενο. Ο Rutherford ανακάλυψε ότι οι μικροί πυρήνες των ατόμων μέσω των πυρηνικών αντιδράσεων δημιουργούν μεγαλύτερους. Αυτό εξηγούσε το γεγονός ότι πολύ ελαφριά άτομα (Υδρογόνο , Ήλιο) υπάρχουν στο σύμπαν σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες από τα βαρύτερα (το υδρογόνο μαζί με το ήλιο αποτελούν το 98% της μάζας των άστρων). Μετά από μια βίαιη έκρηξη, λοιπόν, ήταν λογικό να επικρατούν οι μικροί πυρήνες.

Η θεωρία της Συνεχούς Δημιουργίας Διάδοχος της θεωρίας του Αιώνιου σύμπαντος ήταν η θεωρία της Συνεχούς δημιουργίας του Fred Hoyle. Η θεωρία αυτή αποδέχονταν την απομάκρυνση των γαλαξιών, αλλά απαιτούσε την δημιουργία νέας ύλης στα κενά μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να μην μεταβάλλεται η πυκνότητα του σύμπαντος.

Μεγάλη Έκρηξη και Συνεχής Δημιουργία Στοιχεία υπέρ της Μεγάλης Έκρηξης: Ο Fred Hoyle ανακαλύπτει ότι τα στοιχεία με πολύ μεγάλο πυρήνα (πχ χρυσός) σχηματίζονται με το θάνατο των άστρων, αφαιρώντας ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης. Η ραδιοαστρονομία εντοπίζει νεαρούς γαλαξίες (πρωτογαλαξίες) με μεγάλη ταχύτητα. Βρίσκονται όλοι σε τεράστιες αποστάσεις από τη Γη, άρα η εικόνα τους είναι δισεκατομμυρίων ετών. Η Συνεχής Δημιουργία προέβλεπε την ύπαρξη πρωτογαλαξιών με ομοιόμορφη κατανομή, καθώς αυτοί θα έπρεπε να δημιουργούνται στα κενά μεταξύ των γαλαξιών. Η Μεγάλη Έκρηξη όπως είχε υπολογιστεί, έπρεπε να έχει αφήσει ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος, λόγω της διαστολής του χώρου. Αυτή ανιχνεύτηκε από τον δορυφόρο COBE.

Νίκη της Θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης Η συντριπτική πλειοψηφία των επιστημόνων πλέον υποστηρίζει το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτό σημαίνει το τέλος της κοσμολογίας;

Το πρόβλημα Ύλης-Αντιύλης Η διαφορά ύλης-αντιύλης έγκειται στα φορτία. Το αντιπρωτόνιο έχει αρνητικό φορτίο, ενώ το αντιηλεκτρόνιο θετικό. Η επαφή ύλης- αντιύλης έχει ως αποτέλεσμα την εξαύλωση. Σήμερα, όμως, στο σύμπαν κυριαρχεί η ύλη. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη δημιουργία υπήρχε κάποια ανεξήγητη ασυμμετρία που απέτρεψε την πλήρη εξαύλωση του σύμπαντος. Η ασυμμετρία αυτή ενόχλησε τους επιστήμονες, καθώς δεν προβλέπονταν από τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Το πρόβλημα της Επιταχυνόμενης Διαστολής Η θεωρία της Σχετικότητας προέβλεπε την επιβράδυνση των γαλαξιών από τις μεταξύ τους βαρυτικές αλληλεπιδράσεις. Παρ’ όλα αυτά, η κατανομή και οι κινήσεις της ύλης εντός των γαλαξιών τους ώθησε να υποστηρίξουν την ύπαρξη μιας νέας μορφής ύλης και ενέργειας. Αυτή ονομάστηκε Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια αντίστοιχα. Οι ιδιότητές τους είναι ακόμα άγνωστες, καθώς αλληλεπιδρούν ελάχιστα έως καθόλου με την ύλη.

Το πρόβλημα του Πρώτου Δευτερολέπτου Οι φυσικοί νόμοι που έχουμε μπορούν να εξηγήσουν με σχετική ακρίβεια τα συμβάντα ένα δευτερόλεπτο μετά τη δημιουργία. Κάθε νόμος, όμως, καταρρέει πριν από αυτό. Οι 4 δυνάμεις αλληλεπίδρασης, η ύλη, η ενέργεια φαίνονται να συγχέονται. Έτσι, αδυνατούμε να απαντήσουμε στο ερώτημα: «Πώς δημιουργήθηκε ο κόσμος;»

Επιταχυντές σωματιδίων Προκειμένου να δοθούν λύσεις στα προβλήματα αυτά, οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπαράγουν τις περιστάσεις της Μεγάλης Έκρηξης με τη βοήθεια επιταχυντών σωματιδίων όπως το LHC (Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής) του CERN.