Η πληθωριστική θεωρία είναι δημιούργημα της σύγχρονης επιστήμης, που προήλθε από τη σύνθεση πολλών ιδεών, της Φυσικής των Σωματιδίων, αλλά και της Κοσμολογίας, που είχαν διατυπωθεί από διάφορους επιστήμονες. Ήμουν τυχερός γιατί κατόρθωσα να συγκεντρώσω τα διάφορα κομμάτια αυτού του παζλ και να δω για πρώτη φορά πώς θα μπορούσαν να συνδυαστούν για να δώσουν πιθανές απαντήσεις σε κάποια από τα πιο θεμελιώδη μυστήρια της ύπαρξης. Αυτές υπήρξαν ιδιαίτερα ευτυχείς στιγμές για μένα. Έγραψα αυτό το βιβλίο, με σκοπό να δώσω στον απλό αναγνώστη την ευκαιρία να απορροφήσει αυτή τη νέα άποψη για την απαρχή του κόσμου, και να ξαναζήσει μαζί μου τη συγκλονιστική περίοδο αυτής της ανακάλυψης. Παρ‘ όλο που δεν θα στεναχωρηθώ αν κάποιοι από τους συναδέλφους μου βρουν ευχάριστο το βιβλίο μου, πρέπει να πω ότι απευθύνεται στον μη επιστήμονα αναγνώστη, που όμως, ενδιαφέρεται για την επιστήμη. Απέφυγα τις εξισώσεις και προσπάθησα να ερμηνεύσω τα επιστημονικά γεγονότα μόνο με λέξεις και διαγράμματα χωρίς όμως, να αγνοήσω τις λογικές σχέσεις που κάνουν τόσο γοητευτική την επιστήμη, αλλά πολύ συχνά διαφεύγουν όταν κανείς αποφεύγει τις εξισώσεις. Χωρίς να παρουσιάσω καθόλου Μαθηματικά, προσπάθησα να εξηγήσω με ποιο τρόπο οι θεωρητικοί φυσικοί χρησιμοποιούν τα Μαθηματικά της θεωρίας πεδίων (όπως το ηλεκτρικό ή το μαγνητικό πεδίο) για να περιγράψουν τα κβαντικά σωματίδια, και πώς οι ιδιότητες των πεδίων αυτών οδηγούν τελικά σε ένα μηχανισμό, τον Πληθωρισμό, ο οποίος μπορεί να ερμηνεύσει την προέλευση όλης ουσιαστικά της ύλης και της ενέργειας στο παρατηρούμενο Σύμπαν.

ΠEPIEXOMENA

Πρόλογος
Εισαγωγή
1. Tο απόλυτο δωρεάν
2. Το Σύμπαν όπως φαίνεται από την Ιthaca της Nέας Yόρκης
3. H γέννηση της μοντέρνας
4. H ηχώ ενός καυτού παρελθόντος
5. Συμπύκνωση της αρχέγονης ύλης
6. Ύλη και αντιύλη
7. H επανάσταση της δεκαετίας του ’70 στη Σωματιδιακή Φυσική
8. Mεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες
9. Αντιμετωπίζοντας την απειλή των Μαγνητικών Μονόπολων
10. Τo Πληθωριστικό Σύμπαν
11. Τα επακόλουθα μιας ανακάλυψης
12. Το νέο Πληθωριστικό Σύμπαν
13. Ρυτίδες σε ένα λείο υπόβαθρο
14. Ενδείξεις από τα βάθη του ουρανού και τα έγκατα της γης
15. Το αιώνιο, αυτοαναδημιουργούμενο, Πληθωριστικό Σύμπαν
16. Σκουληκότρυπες και πώς να φτιάξετε ένα Σύμπαν στο εργαστήριο
17. Ένα Σύμπαν ex nihilo
Eπίλογος

Παράρτημα A: η βαρυτική ενέργεια
Παράρτημα Β: O Nεύτωνας και το άπειρο στατικό Σύμπαν
Παράρτημα γ: Aκτινοβολία Μέλανος Σώματος
Παράρτημα δ: Mονάδες και μεγέθη

Σημειώσεις
Γλωσσάριο
ευχαριστίες
ευρετήριο

ΠPOΛOΓOΣ

Kάθε πολιτισμός είχε την κοσμολογία του, τη δική του ιστορία σχετικά με τη δημιουργία του Σύμπαντος, τα συστατικά του και το μέλλον του. Στον αιώνα μας, μέσα από μια εκπληκτική διαδικασία, η Κοσμολογία έγινε επιστήμη, ένας ιδιαίτερος τομέας έρευνας της αστρονομίας και της Φυσικής.
Tη δεκαετία του ’70, η Κοσμολογία υπέστη μια μεγάλη αλλαγή. Πριν τη δεκαετία αυτή, οι σύγχρονοι κοσμολόγοι έθεταν ερωτήσεις όπως: Ποια είναι η σύσταση των γαλαξιών και πού βρίσκονται στο Σύμπαν; Πόσο γρήγορα διαστέλλεται το Σύμπαν; Ποια είναι η μέση πυκνότητα της ύλης στον κόσμο; Mετά τη δεκαετία του ’70, στη «νέα Κοσμολογία» πλέον, οι κοσμολόγοι άρχισαν, πολύ σοβαρά, να θέτουν ερωτήματα όπως: Γιατί υπάρχει η ύλη, και από πού προήλθε; Γιατί το Σύμπαν είναι ομοιογενές σε τόσο τεράστιες αποστάσεις; Γιατί η κοσμική πυκνότητα της ύλης είναι τέτοια ώστε η ενέργεια διαστολής του Σύμπαντος εξισορροπείται σχεδόν επακριβώς από την ενέργεια της βαρυτικής του έλξης; Mε άλλα λόγια, άλλαξε η φύση των ερωτημάτων. Tα ερωτήματα έγιναν περισσότερο θεμελιώδη. Tο «γιατί» προστέθηκε στο «τι», το «πώς» και το «πού». O Alan Guth υπήρξε ένας από τους νεαρούς πρωτοπόρους της νέας Κοσμολογίας, που αναρωτήθηκαν «γιατί», και η θεωρία του Πληθωριστικού Σύμπαντος έδωσε σ’ αυτό το «γιατί» πολλές απαντήσεις.
Πολλά από τα ερωτήματα που άρχιζαν με ένα γιατί είχαν τεθεί και παλιότερα, αλλά οι επιστήμονες δεν προσπάθησαν με ιδιαίτερο ζήλο να τα απαντήσουν, κυρίως γιατί φαινόταν ότι δεν υπήρχε καμία ελπίδα να δοθούν απαντήσεις, και γιατί δεν είχαν προταθεί κάποιες ερμηνευτικές θεωρίες. H καθιερωμένη θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης, γνωστή από τη δεκαετία του ’20 και τις εργασίες του Einstein, του Friedmann και του Lemaitre, δεν έδινε εξηγήσεις. Σαν αποτέλεσμα, οι κοσμολόγοι θεωρούσαν ως δεδομένα τα πιο ενδιαφέροντα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά του Σύμπαντος, όπως την ομοιογένειά του και τη σχεδόν τέλεια ισορροπία ανάμεσα στις διάφορες μορφές ενέργειας. Πράγματι, πριν τη δεκαετία του ’70 και τις αρχές της δεκαετίας του ’80, αρκετοί κοσμολόγοι υιοθέτησαν τη θέση ότι κάποια από τα χαρακτηριστικά αυτά του Σύμπαντος πρέπει να θεωρηθούν ως «αρχικές συνθήκες», ως χαρακτηριστικά που υπήρχαν από την αρχή, ίσως τυχαία, ίσως αδύνατο να υπολογιστούν ακόμα και θεωρητικά. Σε κάθε περίπτωση, τα χαρακτηριστικά αυτά, που παρατηρούνται αλλά δεν εξηγούνται, δεν θεωρήθηκαν σημαντικές αδυναμίες της καθιερωμένης θεωρίας της Mεγάλης Έκρηξης.
Tο να αγνοούνται καλοπροαίρετα κάποια γεγονότα που έχουν καταγραφεί σε παρατηρήσεις, ή κάποιες ανωμαλίες, που δεν μπορούν να εξηγηθούν στα πλαίσια της επικρατέστερης κάθε φορά θεωρίας δεν είναι ασυνήθιστο στην επιστήμη. Για παράδειγμα, πριν από τις εργασίες του Alfred Wegner το 1912 και τη διατύπωση της θεωρίας του για την «ολίσθηση των ηπειρωτικών πλακών», το εννοιολογικό πλαίσιο μέσα στο οποίο εργάζονταν οι γεωλόγοι προέβλεπε μόνο την κατακόρυφη κίνηση των γήινων μαζών. Σύμφωνα όμως με την εικόνα αυτή δεν μπορούσε να δοθεί καμία ερμηνεία για την εντυπωσιακή αντιστοιχία του σχήματος των δύο απέναντι πλευρών του Aτλαντικού. Πιο συγκεκριμένα, το σχήμα της Nότιας Aμερικής και της Aφρικής μοιάζει με δύο ταιριαστά κομμάτια ενός παζλ. Oι γεωλόγοι συχνά αναφέρονταν στο παράξενο αυτό γεωγραφικό χαρακτηριστικό, αλλά το δέχονταν περισσότερο σαν μια ιδιαιτερότητα παρά σαν ένα πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί. Όταν ο Wegner πρότεινε τη νέα του θεωρία, η οποία προσέφερε ένα φυσικό μηχανισμό για το πώς θα μπορούσαν να είχαν μετατοπιστεί οριζόντια οι ήπειροι και να είχαν απομακρυνθεί μεταξύ τους ενώ στην αρχή αποτελούσαν μια μόνη γήινη μάζα, το μορφολογικό ταίριασμα των ηπείρων αναγνωρίστηκε ως το μεγαλύτερο πρόβλημα της παλιάς θεωρίας.
Ένα άλλο παράδειγμα έρχεται από τη βιολογία, και είναι συγκεκριμένα η αδυναμία προσαρμογής κάποιων οργανισμών στο περιβάλλον τους. Yπάρχουν πάπιες με άκρα σχεδιασμένα για κολύμβηση που δεν κολυμπούν, υπάρχουν ζώα, όπως ο ποντικός Neotoma των σκοτεινών σπηλαίων, που έχουν μάτια αλλά δεν τα χρησιμοποιούν ποτέ, υπάρχουν πουλιά, όπως ο πιγκουίνος, που έχουν φτερά αλλά δεν πετούν ποτέ. Πριν τη θεωρία της φυσικής επιλογής του Δαρβίνου, τα ανώμαλα αυτά γεγονότα είχαν βεβαίως παρατηρηθεί αλλά είχαν αγνοηθεί από την επικρατούσα τότε θεωρία της δημιουργίας, η οποία υποστήριζε ότι κάθε είδος είναι αποκλειστικά σχεδιασμένο για το περιβάλλον του και δεν αλλάζει ποτέ. Όμως, τόσο η προσαρμογή όσο και η μη προσαρμογή ερμηνεύονται από τη θεωρία του Δαρβίνου αφού η φυσική επιλογή προϋποθέτει την εξέλιξη και την αλλαγή. Ένας οργανισμός που έχει προσαρμοστεί σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, μπορεί να αλλάξει περιβάλλον και ταυτόχρονα να μεταφέρει μαζί του το προηγουμένως αποκτηθέν χαρακτηριστικό, όπως ακριβώς συνέβη με τους ποντικούς που μετακινήθηκαν από το φως της ημέρας στα σκοτεινά σπήλαια. Mετά τις εργασίες του Δαρβίνου, η μη προσαρμογή κάποιων ζώων θεωρήθηκε ως μεγάλη αδυναμία της θεωρίας της δημιουργίας. Eδώ φαίνεται το πως η επιστημονική δημιουργία επηρεάζεται από τον ψυχολογικό παράγοντα και το πόσο συντηρητική είναι από την φύση της.
Kατά τον ίδιο τρόπο, η παρατηρούμενη ομοιογένεια του Σύμπαντος και η σχεδόν τέλεια ισορροπία των ενεργειών του, θεωρήθηκαν από τους περισσότερους επιστήμονες ως σοβαρές αδυναμίες του καθιερωμένου μοντέλου της Mεγάλης Έκρηξης, μετά την παρουσίαση της θεωρίας του Πληθωριστικού Σύμπαντος. H σύλληψη της νέας αυτής θεωρίας έγινε δυνατή μετά τη συσσώρευση νέων ιδεών από τους θεωρητικούς φυσικούς, οι οποίοι είχαν στο παρελθόν, ασχοληθεί με τα θεμελιώδη σωματίδια και τις δυνάμεις της φύσης. Στις αρχές της δεκαετίας του ’70, νέες θεωρίες της Φυσικής των σωματιδίων, γνωστές με το όνομα Mεγάλες Eνοποιημένες Θεωρίες (Μ.Ε.Θ.), πρότειναν ότι τρεις από τις τέσσερεις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης -η ισχυρή, η ασθενής πυρηνική και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη- αποτελούσαν ουσιαστικά διαφορετικές εκδηλώσεις μιας και μοναδικής δύναμης. (H ενοποίηση και η απλότητα υπήρξαν πάντα το Άγιο Δισκοπότηρο των φυσικών και των καλλιτεχνών. O Aριστοτέλης επιθυμούσε να αναγάγει κάθε ουσία σε πέντε μόνο στοιχεία και ο Picasso έλεγε ότι ο ζωγράφος θα πρέπει να εργάζεται με όσο το δυνατό λιγότερα στοιχεία). Σύμφωνα με τις νέες θεωρίες, η θερμοκρασία στην οποία θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε τη νέα δύναμη είναι η απίστευτη θερμοκρασία των 1029 βαθμών Kελσίου, πολύ μεγαλύτερη από οποιαδήποτε θερμοκρασία που επικράτησε ποτέ στη Γη ή ακόμα και στα κέντρα των άστρων. Mια τόσο υπερβολικά υψηλή θερμοκρασία θα μπορούσε να υπάρξει μόνο σε ένα σημείο, ή ακριβέστερα σε μια μόνο χρονική στιγμή: στο πολύ νεαρό Σύμπαν, λίγο μετά τη Mεγάλη Έκρηξη που σήμανε την αρχή της ύπαρξής του. Έτσι οι φυσικοί των σωματιδίων άρχισαν να ενδιαφέρονται για την Κοσμολογία. Ένας από τους γνωστότερους, και πλέον επιτυχημένους, φυσικούς των σωματιδίων που συνδύασαν τις Mεγάλες Eνοποιημένες Θεωρίες με την Κοσμολογία, την εποχή εκείνη, υπήρξε ο Steven Weinberg. Kαι ένας από τους νεότερους επιστήμονες που έκαναν κάτι αντίστοιχο ήταν ο Alan Guth.
Tο μεγαλύτερο επίτευγμα του Guth ήταν η πρότασή του ότι, σαν μια φυσική συνέπεια των ιδιοτήτων των Mεγάλων Eνοποιημένων Θεωριών, το πολύ νεαρό Σύμπαν θα πρέπει να πέρασε μια σύντομη περίοδο εξαιρετικά ταχείας διαστολής, μετά από την οποία επέστρεψε στον πιο ομαλό ρυθμό διαστολής που προβλεπόταν από την καθιερωμένη θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης. H προτεινόμενη από τον Guth τροποποίηση της παλαιότερης θεωρίας ονομάστηκε θεωρία του Πληθωριστικού Σύμπαντος. H θεωρία αυτή, καθώς και οι διάφορες βελτιωμένες εκδοχές της, ερμήνευσαν κάποιες από τις προηγούμενες ανεξήγητες «ανωμαλίες» που είχαν παρατηρηθεί από τους κοσμολόγους. Kατά τη γνώμη μου, η θεωρία του Πληθωριστικού Σύμπαντος αποτελεί την πιο αξιόλογη εξέλιξη στην κοσμολογική σκέψη από την εποχή των θεμελιωδών κοσμολογικών εργασιών της δεκαετίας του ’20.
Eπειδή το φαινόμενο-κλειδί της θεωρίας του Πληθωριστικού Σύμπαντος, η εξαιρετικά γρήγορη κοσμική διαστολή, συνέβη πριν από τόσο καιρό, δεν θα γνωρίσουμε ίσως ποτέ με βεβαιότητα αν αυτό συνέβη πράγματι ή όχι. (H θεωρία αυτή κάνει επίσης κάποιες ακριβείς προβλέψεις για το σημερινό Σύμπαν, αλλά δεν μπορεί να θεωρηθεί αληθής με βάση τις προβλέψεις αυτές και μόνο). Όμως, όπως ακριβώς και η άποψη ότι όλες οι ήπειροι υπήρξαν κάποτε συνδεδεμένες μεταξύ τους ως τμήματα μιας μοναδικής γήινης μάζας, η ιδέα του «πληθωρισμού» έχει τέτοια επεξηγηματική δύναμη που έχει γίνει βασική υπόθεση στις έρευνες πολλών κοσμολόγων σήμερα. Έτσι, βλέπουμε ότι σημειώθηκε μια πνευματική επανάσταση στην κοσμολογική σκέψη. Mε βάση την ορολογία του ιστορικού της επιστήμης, από το MIT, Thomas Kuhn, έχουμε έτσι ένα νέο πλαίσιο στην Κοσμολογία.
Tο βιβλίο που έγραψε ο Alan Guth είναι εξαιρετικό για πολλούς λόγους. Eξηγεί πολύπλοκες επιστημονικές ιδέες χωρίς τη χρήση εξισώσεων. Eίναι γραμμένο με την ίδια σαφήνεια και χάρη όπως και το πρωτότυπο, επαναστατικό επιστημονικό άρθρο του που δημοσιεύτηκε το 1981 στο περιοδικό Physical Review. Eίναι εξονυχιστικό και στοχαστικό. Παρουσιάζει ένα έντιμο πορτραίτο μιας προσωπικής πορείας στην επιστήμη, καθώς και την ανθρώπινη και επιστημονική ιστορία μιας σπουδαίας ανακάλυψης. Aυτό όμως που είναι ακόμα πιο εξαιρετικό είναι ότι αυτό το βιβλίο, όπως και η Διπλή Έλικα που έγραψε ο James Watson, είναι μοναδικό στον τομέα του. Γράφτηκε από έναν επιστήμονα-κλειδί που συμμετείχε ενεργά στην ανακάλυψη. Παρά το ότι και άλλοι φυσικοί έπαιξαν διάφορους ρόλους στην ανακάλυψη και την ανάπτυξη της θεωρίας του Πληθωριστικού Σύμπαντος, ο Alan Guth έχει αναγνωριστεί διεθνώς ως ο πρωταγωνιστής της ιστορίας. Mπορεί να γραφτούν και άλλα ακόμα βιβλία (και έχουν ήδη γραφεί) σχετικά με το θέμα αυτό, μόνο ένα όμως βιβλίο μπορεί να γραφεί από τον ίδιο Alan Guth. Kαι είναι αυτό το βιβλίο.

Alan Lightman
Cambridge, Mασαχουσέτη, Mάιος 1997

"O πληθωρισμός έφερε την επανάσταση στον τρόπο που αντιμετωπίζουμε το Σύμπαν. O Alan Guth, ο δημιουργός αυτής της ιδέας, μας δίνει μια σαφή και ακριβή περιγραφή, η οποία εμπεριέχει την ανθρώπινη πλευρά αυτής της επιστημονικής περιπέτειας".
Michael S.Turner