Νιλ Τούροκ και Πολ Στάινχαρντ

Χρήστος Κεφαλής

Η ζωή και το έργο τους

O Νιλ Τούροκ γεννήθηκε το 1958 στο Γιοχάνεσμπουργκ. Σπούδασε στο Κέιμπριτζ και έκανε την πτυχιακή του εργασία στο Ιμπέριαλ Κόλετζ στο Λονδίνο. Αργότερα απασχολήθηκε στο Φέρμιλαμπ στο Σικάγο και διετέλεσε καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Από το 1997 είναι καθηγητής μαθηματικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. Η έρευνά του επικεντρώθηκε στα ζητήματα της κοσμολογίας, όπου από τις αρχές της δεκαετίας του ʼ90 είχε σημαντικές συμβολές, σε θέματα σχετικά με τις ανισοτροπίες της ακτινοβολίας υποβάθρου, ενώ ανέπτυξε μαζί με τον Χόκινγκ τις εξισώσεις για τη γένεση του πληθωριστικού σύμπαντος. Το 2003 ίδρυσε το Αφρικανικό Ινστιτούτο για τις Μαθηματικές Επιστήμες στο Μούιζενμπεργκ, ένα μεταπτυχιακό κέντρο σπουδών για την ανάπτυξη των μαθηματικών και της επιστήμης στην αφρικανική ήπειρο.

Ο Πολ Στάινχαρντ είναι καθηγητής στην έδρα Albert Einstein στα τμήματα φυσικής και αστροφυσικής του Πανεπιστημίου Πρίνστον, ενώ διευθύνει το Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής του Πρίνστον. Σπούδασε φυσική στο Κάλτεχ, ενώ πήρε το μεταπτυχιακό του στη φυσική στο Χάρβαρντ. Αργότερα απασχολήθηκε στο Χάρβαρντ, ενώ στα 1989-98 ήταν καθηγητής στο τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια, Τα θεωρητικά του ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν την κοσμολογία, τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων και τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, όπου συνεισέφερε την ανακάλυψη των ημικρυστάλλων. Ιδιαίτερα παραγωγικός ως συγγραφέας, έχει δημοσιεύσει πλήθος εργασιών και εκλαϊκευτικών βιβλίων και άρθρων. Το 2002 του απονεμήθηκε το Μετάλλιο Ντιράκ.

Όντας ήδη δυο από τους κορυφαίους φυσικούς στον κόσμο, με ιδιαίτερες συμβολές στη θεωρία των χορδών και της Μεγάλης Έκρηξης, οι Τούροκ και Στάινχαρτ ανέπτυξαν στα τέλη της δεκαετίας του ʼ90 ένα νέο κοσμολογικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό, γνωστό ως αρχικά ως εκπυρωτικό και, στην εξέλιξή του, ως κυκλικό μοντέλο, συμπληρώνει και τροποποιεί ορισμένα σημεία της Μεγάλης Έκρηξης, συνδυάζοντας την αστροφυσική με τη θεωρία των υπερχορδών. Σήμερα βρίσκεται στο κέντρο του επιστημονικού ενδιαφέροντος και ο ίδιος ο Χόκινγκ το χαρακτήρισε μια «μια προκλητική εναλλακτική θεώρηση για την ευρέως αποδεκτή εικόνα της Μεγάλης Έκρηξης και για το μέλλον του σύμπαντος».

Το εκπυρωτικό-κυκλικό μοντέλο

Το νέο, κυκλικό μοντέλο της εξέλιξης στο σύμπαν, αναπτύχθηκε μέσα από την ίδια την κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης και τις πιο πρόσφατες και ελπιδοφόρες εξελίξεις πάνω στο θέμα της ενοποίησης των φυσικών δυνάμεων, όπως η θεωρία των υπερχορδών και η θεωρία Μ. Η κατεύθυνσή της δεν είναι έτσι να αρνηθεί το γεγονός της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά να το παρουσιάσει ως μια στιγμή του κοσμικού κύκλου, μια στιγμή μέσα από την οποία το σύμπαν αναγεννιέται και από το τέλος ενός παλιού κύκλου εξέλιξης, περνά σε έναν νέο. Η ηλικία του Σύμπαντος δεν περιορίζεται έτσι στα 14 δισεκατομμύρια χρόνια που μεσολάβησαν από τη Μεγάλη Έκρηξη, όντας πρακτικά άπειρη.

Οι εισηγητές του νέου μοντέλου, παρατηρεί ο Στάινχαρντ, «Ερευνούν την πιθανότητα ότι το Σύμπαν είναι εκθετικά παλιότερο. Σε αυτή την εικόνα, η εξέλιξη του σύμπαντος είναι κυκλική. Η Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι η αρχή του χώρου και του χρόνου, αλλά μάλλον μια ξαφνική δημιουργία θερμής ύλης και ακτινοβολίας που σηματοδοτεί τη μετάβαση από μια περίοδο επέκτασης και ψύξης στον επόμενο κύκλο της εξέλιξης. Κάθε κύκλος μπορεί να διαρκεί, ας πούμε, ένα τρισεκατομμύριο χρόνια. 14 δισεκατομμύρια χρόνια είναι ο χρόνος από την τελευταία έγχυση ύλης και ακτινοβολίας, αλλά αυτό είναι σύντομο συγκριτικά με τη συνολική ηλικία του σύμπαντος. Κάθε κύκλος διαρκεί περίπου ένα τρισεκατομμύριο χρόνια και στο παρελθόν μπορεί να υπήρξαν 10 εις τη νιοστή κύκλοι ή περισσότεροι» (Πολ Στάινχαρντ, It's a matter of time, στο HYPERLINK "http://www.edge.org/q2006/q06_7.html" http://www.edge.org/q2006/q06_7.html)

Η βασική ιδέα του μοντέλου είναι ότι, αξιοποιώντας τις ιδέες της θεωρίας των υπερχορδών, εμφανίζει τη Μεγάλη Έκρηξη ως μια σύγκρουση κοσμικών βρανών, που προκύπτει αναπόδραστα στο τέλος κάθε κοσμικού κύκλου. «Στην εικόνα μας», λέει ο Τούροκ, «υπήρχε ένα σύμπαν πριν τη Μεγάλη Έκρηξη, πολύ όμοιο με το σύμπαν μας σήμερα: μια χαμηλή πυκνότητα ύλης και ένα υλικό που αποκαλείται σκοτεινή ενέργεια. Αν υποθέσεις ένα σύμπαν όπως αυτό, αλλά η σκοτεινή ενέργεια εντός του είναι ασταθής, τότε η αποσύνθεση αυτής της σκοτεινής ενέργειας οδηγεί τις δυο βράνες κοντά. Αυτές οι δυο βράνες συγκρούονται και μετά, έχοντας γεμίσει με ακτινοβολία, διαχωρίζονται και επεκτείνονται για να σχηματίσουν γαλαξίες και αστέρια. Αργότερα, η σκοτεινή ενέργεια παίρνει πάλι τον έλεγχο. Είναι η ενέργεια έλξης ανάμεσα σε δυο βράνες: τις τραβά πάλι πίσω. Έχεις μια έκρηξη, ακολουθούμενη από έκρηξη, ακολουθούμενη από έκρηξη. Δεν έχεις αρχή του χρόνου. Πάντα ήταν εκεί» (Νιλ Τούροκ: Η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η Αρχή, στο HYPERLINK "http://www.wired.com/science/discoveries/news/2008/02/qa_turok?currentPage=all" http://www.wired.com/science/discoveries/news/2008/02/qa_turok?currentPage=all).

Στο μηχανισμό της έκρηξης σημαντικό ρόλο παίζουν οι πρόσθετες, τυλιγμένες διαστάσεις που προβλέπει η θεωρία χορδών και αποδεικνύεται μάλιστα ότι η μια επιπλέον διάσταση της θεωρίας Μ αντιστοιχεί στο κενό ανάμεσα στις βράνες: «Στη θεωρία Μ η έβδομη πρόσθετη διάσταση του χώρου είναι το κενό ανάμεσα σε δυο παράλληλα αντικείμενα που αποκαλούνται βράνες. Είναι όπως το κενό ανάμεσα σε δυο παράλληλους καθρέφτες. Σκεφτήκαμε, τι συμβαίνει αν αυτοί οι δυο καθρέφτες συγκρουστούν; Ίσως αυτό να ήταν η Μεγάλη Έκρηξη» (στο ίδιο).

Σημαντικό προσόν του κυκλικού μοντέλου είναι ότι κατορθώνει να συνδέσει μια σειρά υποθέσεις, οι οποίες στη Μεγάλη Έκρηξη ενσωματώθηκαν αποσπασματικά και χωρίς να απαιτούν η μια την άλλη. «Οι ιδέες αυτές είναι το μοντέλο του της Μεγάλης Έκρηξης από τη δεκαετία του 1920, η σκοτεινή ύλη από τη δεκαετία του 1930, η θεωρία του πληθωρισμού από τη δεκαετία του 1980 και η σκοτεινή ενέργεια που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1990. Απουσιάζει οποιαδήποτε υπερκείμενη αρχή, η οποία θα εξηγούσε πώς και γιατί όλες αυτές οι ιδέες χρειάζονται η μια την άλλη. Η Μεγάλη Έκρηξη δεν οδηγεί κατευθείαν στον πληθωρισμό. Ο πληθωρισμός δεν προϋποθέτει τη σκοτεινή ύλη. Η σκοτεινή ύλη δεν χρειάζεται τη σκοτεινή ενέργεια. Κάθε ξεχωριστό κομμάτι προστέθηκε ανεξάρτητα απʼ όλα τα άλλα και έπρεπε να ρυθμιστεί προσεκτικά για να ταιριάξει στο παζλ» (Π. Στάινχαρντ-Ν. Τούροκ, Αέναο Σύμπαν, εκδ. Αβγό 2008, σελ.94). Στο κυκλικό μοντέλο, αντίθετα, οι στιγμές αυτές συνδέονται άρρηκτα μεταξύ τους. Αφού «η κοσμική εξέλιξη επαναλαμβάνεται… η σκοτεινή ενέργεια που κυριαρχεί στο σημερινό σύμπαν προετοιμάζει τις αντίστοιχες συνθήκες για τον κύκλο που θα ακολουθήσει» (στο ίδιο, σελ.95)

Τέλος, μια επιτυχία του κυκλικού μοντέλου είναι ότι παραμερίζει ορισμένες ενοχλητικές συνέπειες του πληθωριστικού, όπως το πολυσύμπαν και η ανθρωπική αρχή. Σύμφωνα με αυτές, το σύμπαν έπρεπε να αποτελεί ένα συνονθύλευμα διαφορετικών περιοχών, στην πλειονότητα των οποίων διαφέρουν ριζικά μεταξύ τους στις συνθήκες, ακόμη και στους φυσικούς νόμους, με αποτέλεσμα η ζωή και το γνωστό μας σύμπαν να εμφανίζονται ως μια τυχαία νησίδα μέσα σε ένα σύνολο κόσμων εντελώς διαφορετικών.

Στο κυκλικό μοντέλο, αντίθετα, «Το σύμπαν είναι παντού σχεδόν ίδιο. Κάθε περιοχή του διαστήματος περνάει από μια περίοδο ελεγχόμενης εξέλιξης, στο πλαίσια μιας σειράς από τακτικά επαναλαμβανόμενους κύκλους. Όλοι οι κύκλοι ξεκινούν από μια έκρηξη και καταλήγουν σε μια σύνθλιψη, ενώ η σκοτεινή ενέργεια παίζει κρίσιμο ρόλο στην ομαλή διαδοχή τους. Σε κάθε περιοχή του διαστήματος δημιουργούνται γαλαξίες, άστρα, πλανήτες και, προφανώς, ζωή ξανά και ξανά. Το σύμπαν δεν είναι ούτε στατιστικό θαύμα, ούτε μια απίστευτη εύνοια της τύχης, αλλά το φυσιολογικό αποτέλεσμα μιας δυναμικής εξελικτικής διαδικασίας, που διέπεται από τους νόμους της φυσικής» (στο ίδιο, σελ.270).

Με τον τρόπο αυτό, το κυκλικό μοντέλο δίνει ένα παραπέρα ισχυρό πλήγμα σε κάθε μεταφυσική, θεολογική υπόθεση για το σύμπαν.

Καθολική αλλαγή και αναγέννηση

στο Σύμπαν

Όπως η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, το κυκλικό μοντέλο είναι ένα μοντέλο της εξέλιξης και της αλλαγής στο σύμπαν, που επιχειρεί να ανασυνθέσει τη συμπαντική ιστορία. Οι ίδιοι οι δημιουργοί του αναφέρονται στον Ηράκλειτο, το «τα πάντα ρει» του οποίου «αναγνωρίζεται σήμερα ως το θεμέλιο της σύγχρονης επιστήμης, οικονομίας, πολιτικής και ιστορίας» (σελ.211). Ο όρος εκπύρωση, που έδωσε το αρχικό όνομα στη θεωρία, προέρχεται από τη στωική φιλοσοφία, υποδηλώνοντας τη «γέννηση εκ του πυρός».

Το κυκλικό μοντέλο δίνει νόημα στις διαισθήσεις του Ντιράκ και άλλων ότι ακόμη και οι φυσικές σταθερές μπορεί να αλλάζουν, παίρνοντας διαφορετικές τιμές σε διαφορετικές φάσεις της κοσμικής ιστορίας. Βέβαια, αυτή η αλλαγή δεν είναι αυθαίρετη, καθοριζόμενη από την απόσταση των κοσμικών βρανών: στο ενδιάμεσο του κύκλου, όταν η απόσταση αυτή παραμένει σταθερή η τιμή τους δεν αλλάζει, προς το τέλος του όμως η κατάσταση ανατρέπεται. Όπως το θέτουν οι Τούροκ και Στάινχαρντ:

«Οι βράνες αρχίζουν να συγκλίνουν, η σκοτεινή ενέργεια μειώνεται και η διαστολή επιβραδύνεται. Δεν θα υπάρχουν πια ούτε γαλαξίες ούτε άλλες μακρινές πηγές για να μπορέσουν να ανιχνεύσουν οι παρατηρητές του μέλλοντος το ρυθμό διαστολής… Θα εμφανιστούν όμως ορισμένα νέα φυσικά φαινόμενα, που θα υποδηλώνουν ότι το τέλος του κύκλου πλησιάζει. Κατʼ αρχήν, πολλές θεμελιώδεις φυσικές σταθερές, όπως η ισχύς της βαρύτητας και της ισχυρής, της ασθενούς και της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, θα αρχίσουν να μεταβάλλονται αισθητά, διότι οι τιμές τους εξαρτώνται από την απόσταση που χωρίζει τις βράνες. Το γεγονός ότι δεν μεταβάλλονται σε προηγούμενες περιόδους όπως η σημερινή, αυτό οφειλόταν στο ότι η απόσταση που χώριζε τις βράνες έχει παγώσει. Μόλις όμως οι βράνες αρχίσουν να συγκλίνουν, όλες οι φυσικές σταθερές θα αρχίσουν να μεταβάλλονται εν χορώ… Σύμφωνα με το κυκλικό μοντέλο, οι φυσικοί που θα εκτελούν τα ίδια πειράματα κατά τα τελευταία δέκα δισεκατομμύρια χρόνια πριν από την επόμενη σύγκρουση των βρανών θα ανιχνεύσουν μια ευμεγέθη διαφοροποίηση των σταθερών. Ο ρυθμός μεταβολής των σταθερών θα αυξάνεται ανάλογα με την ταχύτητα σύγκλισης των βρανών» (σελ. 306-07).

Η εικόνα της «δημιουργίας», του κοσμικού κατακλυσμού που ακολουθεί τη σύγκρουση των βρανών, δεν είναι λιγότερο επιβλητική από τη Μεγάλη Έκρηξη: «Λίγες στιγμές πριν από τη σύγκρουση, οι ούτως οι άλλως ταχύτατες μεταβολές προσλαμβάνουν δραματικές διαστάσεις: τα σωματίδια χάνουν τις μάζες τους και οι νόμοι της φύσης επανέρχονται σε μια πολύ απλούστερη και πιο συμμετρική μορφή… Η ώρα της αλήθειας θα φτάσει ακαριαία: ξαφνικά, όλο το διάστημα θα λαμπαδιάσει από νέα ύλη και ακτινοβολία που γέννησε η σύγκρουση. Η θερμοκρασία γίνεται 1015 φορές υψηλότερη από αυτή που επικρατεί στην επιφάνεια του Ήλιου, εξαϋλώνοντας όλες τις εναπομείνασες δομές του προηγούμενου κύκλου. Τα κουάρκ και τα γκουόνια από τα οποία είμαστε όλοι φτιαγμένοι προστίθενται στην πλημμυρίδα των κουάρκ και των γκλουονίων που δημιούργησε η έκρηξη και ο κοσμικός κύκλος ανανεώνεται» (σελ. 306).

Η κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης έχει μια σειρά γνωρίσματα όπως ο απότομος, αλματικός χωρισμός των αντιθέτων από μια κατάσταση ασταθούς ενότητας, οι αλματικές μεταβάσεις φάσης, κ.λπ., που την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική από τη σκοπιά της διαλεκτικής. Ταυτόχρονα όμως, ενώ το ίδιο το γεγονός της Μεγάλης Έκρηξης εμφανίζεται ως η αυθόρμητη έκρηξη μιας μαύρης τρύπας χωρίς καμιά εξωτερική παρεμβολή, αποτυγχάνει να μας μιλήσει για το «πριν» και τον κοσμικό μηχανισμό που παράγει αυτό το γεγονός.

Το κυκλικό μοντέλο λύνει αυτό το πρόβλημα, παρουσιάζοντας την έκρηξη ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης δυο κοσμικών βρανών. Σε σχέση με την ευθύγραμμη κατεύθυνση της Μεγάλης Έκρηξης, η έννοια του κύκλου κάνει ένα παραπέρα βήμα προς τη διαλεκτική κοσμοθεώρηση. Ταυτόχρονα όμως η έννοια αυτή, που έπαιξε κεντρικό ρόλο στις ανατολικές φιλοσοφίες, περιέχει και κάτι μη ικανοποιητικό, στο βαθμό που υπονομεύει εν μέρει τον προωθητικό, συγκρουσιακό χαρακτήρα της εξέλιξης.

Στη διαλεκτική φιλοσοφία, είχε πάντα κεντρική θέση η αντίληψη για τη σπειροειδή εξέλιξη, έναν τύπο εξέλιξης που συνενώνει την ευθεία και τον κύκλο. Αυτή η αντίληψη έχει τονιστεί όχι μόνο από τους κλασικούς του μαρξισμού, αλλά και από διαλεκτικούς ιδεαλιστές φιλοσόφους όπως ο Ουσπένσκι, που αναφερόταν στο σύμπαν ως «ένα κόσμο αλληλένδετων σπειροειδών». Όπως συνέβηκε αρκετές φορές ως τώρα με τις αντιτιθέμενες θεωρήσεις, ίσως στην πορεία της επιστημονικής έρευνας να αποκαλυφθεί ότι τα δυο αντιτιθέμενα μοντέλα, το πληθωριστικό και το κυκλικό, δεν αποτελούν παρά μερικές, αντιφατικές όψεις του κοσμικού γίγνεσθαι και το μέρος αλήθειας του καθενός συνθεθεί σε ένα ευρύτερο σπειροειδές μοντέλο.

Δαίμων της Οικολογίας,

τ. 85, 9/08