Η χρονική διαστολή είναι ένα βασικό στοιχείο της επιστημονικής φαντασίας, και είτε γνωρίζετε τον όρο είτε όχι, πιθανότατα τον έχετε συναντήσει σε σειρές και ταινίες: κάποιος πετάει αρκετά γρήγορα στην ταχύτητα του φωτός και η εμπειρία του χρόνου του είναι πιο αργή από κάποιον που έχει μείνει πίσω στη Γη, έτσι ώστε να περνούν χρόνια γι’ αυτόν, ενώ ο άλλος βιώνει μόνο μερικούς μήνες.
Ή κάποιος που ταξιδεύει αρκετά βαθιά μέσα στο πεδίο βαρύτητας ενός τεράστιου αντικειμένου, όπως η μαύρη τρύπα στην ταινία «Interstellar» του Κρίστοφερ Νόλαν, και όσοι έχουν μείνει σε μια πιο τυπική βαρύτητα θα γεράσουν γρηγορότερα από εκείνους, με τα ρολόγια τους να περιστρέφονται γρήγορα, ενώ τα δευτερόλεπτα εκείνων στη βαρύτητα της Γης φαινομενικά τρέχουν κανονικά.
Όσο ακραία και αν είναι τα φαινόμενα διαστολής του χρόνου, προέρχονται από τις θεωρίες του Άλμπερτ Αϊνστάιν και οι επιστήμονες μόλις επιβεβαίωσαν μια από τις πιο παράξενες μορφές διαστολής του χρόνου – ότι στο πρώιμο σύμπαν ο χρόνος κινούνταν πέντε φορές πιο αργά από ό,τι στη Γη σήμερα.
«Στην καρδιά της, πρόκειται για άλλη μια φορά που λέμε “ο Αϊνστάιν έχει δίκιο”», λέει στο Inverse ο κοσμολόγος Geraint Lewis του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ. «Ελέγξαμε τις προβλέψεις του και βγήκαν και πάλι σωστές».
Ο Lewis είναι ο επικεφαλής συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύθηκε στις 3 Ιουλίου στο περιοδικό Nature Astronomy και χρησιμοποίησε μακρινά κβάζαρ (quasars) -απίστευτα φωτεινές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στις καρδιές των γαλαξιών- ως ρολόγια για να μετρήσει τη ροή του χρόνου πίσω σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που έφερε στη ζωή το σύμπαν που γνωρίζουμε. Προηγούμενες προσπάθειες να χρησιμοποιηθούν κβάζαρ για τη χρονομέτρηση του χρόνου στο πρώιμο σύμπαν απέτυχαν, γεγονός που οδήγησε σε ερωτήματα τόσο για τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ανέλυαν τα κβάζαρ όσο και για την εγκυρότητα των προβλέψεων του Αϊνστάιν σχετικά με τον χρόνο στο πρώιμο σύμπαν.
«Στο περιθώριο, κάποιοι άρχισαν να αμφισβητούν το κατά πόσο τα κβάζαρ είναι πραγματικά κοσμολογικά ή αν οι κοσμολόγοι ήξεραν τι έκαναν», λέει ο Lewis. Αλλά τα νέα ευρήματα δίνουν στους κοσμολόγους «περαιτέρω εμπιστοσύνη ότι το μαθηματικό πλαίσιο με το οποίο χρησιμοποιούμε για να κατανοήσουμε, να περιγράψουμε και να προβλέψουμε τι συμβαίνει στο σύμπαν είναι στην πραγματικότητα μια ακριβής περιγραφή του τι συμβαίνει».
Η επιβεβαίωση ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο για τη διαστολή του χρόνου και ότι τα κβάζαρ παίζουν με τους βασικούς μαθηματικούς κανόνες του σύμπαντος, παρέχει στους επιστήμονες μια σταθερή βάση για να εξερευνήσουν άλλα κοσμικά αινίγματα, όπως η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια, η οποία φαίνεται να οδηγεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.
Πώς «διαβάζονται» τα κοσμικά ρολόγια
Στην αρχή της σύγχρονης φυσικής, υπήρχε ο Ισαάκ Νεύτων, ο οποίος θεωρούσε ότι ο χρόνος είναι απόλυτος: κάθε ρολόι στο σύμπαν χτυπάει με τον ίδιο ρυθμό.
«Η ζωή ήταν απλή για τον Νεύτων», λέει ο Lewis. «Και μετά ήρθε ο Αϊνστάιν και τα έκανε όλα άνω κάτω, επισημαίνοντας ότι ο χρόνος είναι σχετικός».
Στην ειδική θεωρία της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν έδειξε ότι τα ρολόγια σε διαφορετικές κινήσεις το ένα σε σχέση με το άλλο δεν χτυπούν το ίδιο, σύμφωνα με τον Lewis, ενώ η γενική σχετικότητα δείχνει την ίδια διαφορά στα ρολόγια που βρίσκονται σε διαφορετικές θέσεις μέσα σε ένα πεδίο βαρύτητας. Αυτά τα ίδια μαθηματικά δείχνουν ότι θα δούμε την ίδια διαφορά στα ρολόγια που χτυπούν για παρατηρητές σε διαφορετικές χρονικές στιγμές στη ζωή του σύμπαντος.
«Αν συγκρίνετε αυτά τα ρολόγια με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που συγκρίνετε τα ρολόγια σε ένα βαρυτικό πεδίο», λέει ο Lewis, «θα δείτε ότι ο χρόνος τρέχει διαφορετικά από την οπτική γωνία κάθε παρατηρητή».
Προηγούμενες μελέτες που χρησιμοποιούσαν εκρηγνυόμενα αστέρια σουπερνόβα (supernova) ως ουράνια ρολόγια είχαν επιβεβαιώσει ότι ο χρόνος κυλούσε πιο αργά στο σύμπαν πριν από περίπου 7 δισεκατομμύρια χρόνια.
Αλλά οι σουπερνόβα είναι πολύ μικροί αστερισμοί, πολύ αμυδροί για να χρησιμοποιηθούν ως ρολόγια στην άκρη του παρατηρήσιμου σύμπαντος, σε απόσταση μεγαλύτερη από 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Έτσι, οι αστρονόμοι στράφηκαν προς τα μεγαλύτερα, πολύ φωτεινότερα κβάζαρ.
Οι υπερκαινοφανείς (supernovae) είναι «σχετικά απλοί: Κάνουν μπαμ. Είναι ένα πυροτέχνημα -ένα πολύ φωτεινό πυροτέχνημα- Αλλά φωτίζονται και σβήνουν με ένα συγκεκριμένο μοτίβο», λέει ο Lewis. Αλλά τα κβάζαρ αλλάζουν φωτεινότητα με πολύ πιο περίπλοκους τρόπους, που μοιάζουν περισσότερο με τις αλλαγές στο χρηματιστήριο παρά με ένα πυροτέχνημα, λέει.
«Αν τα κβάζαρ απλά έδιναν παλμούς ή απλά αναβόσβηναν, αυτό θα έκανε τη ζωή μας πολύ πιο εύκολη, αλλά δεν το κάνουν», λέει ο Lewis. «Το ερώτημα είναι, υπάρχει ένα είδος τικ που κρύβεται σε αυτή τη μεταβλητότητα; Οι άνθρωποι έψαχναν γι’ αυτό και δεν μπορούσαν να βρουν τίποτα».
Ας συγκρίνουμε τα μήλα με τα μήλα, κι ας είναι κοσμικά
Αλλά στα τέλη του 2022, εμφανίστηκε ένα νέο σύνολο δεδομένων. Οι ερευνητές μελετούσαν ένα δείγμα 190 κβάζαρ για 20 χρόνια, λέει ο Lewis, «οπότε είχαν ένα νέο, πιο πλήρες σύνολο δεδομένων από ό,τι είχαν χρησιμοποιήσει οι άνθρωποι πριν».
Ένα από τα προβλήματα με τα κβάζαρ είναι ότι όλα είναι άτομα, λέει. Ανάλογα με την απόστασή τους, το φως από τα κβάζαρ που φτάνει στη Γη μπορεί να είναι συγκεντρωμένο σε διαφορετικά μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: υπεριώδες φως μήκους κύματος, μπλε ορατό φως ή περισσότερο πράσινο φως.
Αυτό που συνειδητοποίησε ο Lewis είναι ότι με το νέο σύνολο δεδομένων, θα μπορούσε να αρχίσει να ομαδοποιεί τα κβάζαρ ανάλογα με τη φωτεινότητά τους και το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός, ώστε να κάνει πιο ακριβείς συγκρίσεις.
«Μπορούσα να τα εγκλωβίσω όλα και επομένως να συγκρίνω μήλα με μήλα», λέει. Λίγη εξελιγμένη στατιστική ανάλυση αργότερα με τη βοήθεια του συν-συγγραφέα του Lewis, του στατιστικολόγου Brendon Brewer του Πανεπιστημίου του Όκλαντ, και η προβλεπόμενη χρονική διαστολή τελικά φάνηκε στη μεταβλητότητα των μακρινών κβάζαρ.
Τώρα που ο Lewis επιβεβαίωσε τις προβλέψεις του Αϊνστάιν, ελπίζει να χρησιμοποιήσει τις τεχνικές που χρησιμοποίησε για να αναλύσει τα κβάζαρ για σημάδια χρονικής διαστολής για να προσπαθήσει να κατανοήσει καλύτερα τα ίδια τα κβάζαρ.
«Έχουμε αυτά τα διαφορετικά κουτιά στα οποία βάζουμε τα κβάζαρ και διαπιστώσαμε ότι υπάρχει ένα συστηματικό είδος αλλαγής στις ιδιότητες σε όλα τα κουτιά», λέει. «Αυτό πρέπει να συνδέεται με τη φυσική των κβάζαρ. Αυτό πρέπει να συνδέεται με το τι συμβαίνει με τις μαύρες τρύπες».
Παράλληλα, ο Lewis ελπίζει ότι άλλοι ερευνητές θα επαναλάβουν τις μετρήσεις του και θα τις προχωρήσουν περαιτέρω. Μεγάλα προγράμματα αστρονομικής έρευνας του ουρανού, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Euclid του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, το οποίο εκτοξεύτηκε την 1η Ιουλίου, και το επίγειο παρατηρητήριο Vera Rubin, το οποίο θα αρχίσει να λειτουργεί το 2025, θα πρέπει να αποκαλύψουν τεράστιο αριθμό νέων κβάζαρ που θα επιτρέψουν στους κοσμολόγους να θεμελιώσουν περαιτέρω τις θεωρίες του Αϊνστάιν για το πρώιμο σύμπαν.
Βασιζόμενοι σε αυτό το θεμέλιο, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να χρησιμοποιήσουν τα κβάζαρ για να μελετήσουν τη διαστολή του πρώιμου σύμπαντος και, από εκεί και πέρα, να αρχίσουν να λύνουν μερικά από τα διαρκή μυστήρια του σύμπαντος που ο Αϊνστάιν δεν μπόρεσε να κατανοήσει.
«Μπορείτε να προσπαθήσετε να χαρτογραφήσετε τις λεπτομέρειες της διαστολής, επειδή σε αυτή τη λεπτομερή διαστολή κρύβεται η φυσική της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας», λέει ο Lewis.
Πηγή: Inverse
Η χρονική διαστολή είναι ένα βασικό στοιχείο της επιστημονικής φαντασίας, και είτε γνωρίζετε τον όρο είτε όχι, πιθανότατα τον έχετε συναντήσει σε σειρές και ταινίες: κάποιος πετάει αρκετά γρήγορα στην ταχύτητα του φωτός και η εμπειρία του χρόνου του είναι πιο αργή από κάποιον που έχει μείνει πίσω στη Γη, έτσι ώστε να περνούν χρόνια γι’ αυτόν, ενώ ο άλλος βιώνει μόνο μερικούς μήνες.
Ή κάποιος που ταξιδεύει αρκετά βαθιά μέσα στο πεδίο βαρύτητας ενός τεράστιου αντικειμένου, όπως η μαύρη τρύπα στην ταινία «Interstellar» του Κρίστοφερ Νόλαν, και όσοι έχουν μείνει σε μια πιο τυπική βαρύτητα θα γεράσουν γρηγορότερα από εκείνους, με τα ρολόγια τους να περιστρέφονται γρήγορα, ενώ τα δευτερόλεπτα εκείνων στη βαρύτητα της Γης φαινομενικά τρέχουν κανονικά.
Όσο ακραία και αν είναι τα φαινόμενα διαστολής του χρόνου, προέρχονται από τις θεωρίες του Άλμπερτ Αϊνστάιν και οι επιστήμονες μόλις επιβεβαίωσαν μια από τις πιο παράξενες μορφές διαστολής του χρόνου – ότι στο πρώιμο σύμπαν ο χρόνος κινούνταν πέντε φορές πιο αργά από ό,τι στη Γη σήμερα.
«Στην καρδιά της, πρόκειται για άλλη μια φορά που λέμε “ο Αϊνστάιν έχει δίκιο”», λέει στο Inverse ο κοσμολόγος Geraint Lewis του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ. «Ελέγξαμε τις προβλέψεις του και βγήκαν και πάλι σωστές».
Ο Lewis είναι ο επικεφαλής συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύθηκε στις 3 Ιουλίου στο περιοδικό Nature Astronomy και χρησιμοποίησε μακρινά κβάζαρ (quasars) -απίστευτα φωτεινές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στις καρδιές των γαλαξιών- ως ρολόγια για να μετρήσει τη ροή του χρόνου πίσω σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που έφερε στη ζωή το σύμπαν που γνωρίζουμε. Προηγούμενες προσπάθειες να χρησιμοποιηθούν κβάζαρ για τη χρονομέτρηση του χρόνου στο πρώιμο σύμπαν απέτυχαν, γεγονός που οδήγησε σε ερωτήματα τόσο για τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ανέλυαν τα κβάζαρ όσο και για την εγκυρότητα των προβλέψεων του Αϊνστάιν σχετικά με τον χρόνο στο πρώιμο σύμπαν.
«Στο περιθώριο, κάποιοι άρχισαν να αμφισβητούν το κατά πόσο τα κβάζαρ είναι πραγματικά κοσμολογικά ή αν οι κοσμολόγοι ήξεραν τι έκαναν», λέει ο Lewis. Αλλά τα νέα ευρήματα δίνουν στους κοσμολόγους «περαιτέρω εμπιστοσύνη ότι το μαθηματικό πλαίσιο με το οποίο χρησιμοποιούμε για να κατανοήσουμε, να περιγράψουμε και να προβλέψουμε τι συμβαίνει στο σύμπαν είναι στην πραγματικότητα μια ακριβής περιγραφή του τι συμβαίνει».
Η επιβεβαίωση ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο για τη διαστολή του χρόνου και ότι τα κβάζαρ παίζουν με τους βασικούς μαθηματικούς κανόνες του σύμπαντος, παρέχει στους επιστήμονες μια σταθερή βάση για να εξερευνήσουν άλλα κοσμικά αινίγματα, όπως η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια, η οποία φαίνεται να οδηγεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.
Πώς «διαβάζονται» τα κοσμικά ρολόγια
Στην αρχή της σύγχρονης φυσικής, υπήρχε ο Ισαάκ Νεύτων, ο οποίος θεωρούσε ότι ο χρόνος είναι απόλυτος: κάθε ρολόι στο σύμπαν χτυπάει με τον ίδιο ρυθμό.
«Η ζωή ήταν απλή για τον Νεύτων», λέει ο Lewis. «Και μετά ήρθε ο Αϊνστάιν και τα έκανε όλα άνω κάτω, επισημαίνοντας ότι ο χρόνος είναι σχετικός».
Στην ειδική θεωρία της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν έδειξε ότι τα ρολόγια σε διαφορετικές κινήσεις το ένα σε σχέση με το άλλο δεν χτυπούν το ίδιο, σύμφωνα με τον Lewis, ενώ η γενική σχετικότητα δείχνει την ίδια διαφορά στα ρολόγια που βρίσκονται σε διαφορετικές θέσεις μέσα σε ένα πεδίο βαρύτητας. Αυτά τα ίδια μαθηματικά δείχνουν ότι θα δούμε την ίδια διαφορά στα ρολόγια που χτυπούν για παρατηρητές σε διαφορετικές χρονικές στιγμές στη ζωή του σύμπαντος.
«Αν συγκρίνετε αυτά τα ρολόγια με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που συγκρίνετε τα ρολόγια σε ένα βαρυτικό πεδίο», λέει ο Lewis, «θα δείτε ότι ο χρόνος τρέχει διαφορετικά από την οπτική γωνία κάθε παρατηρητή».
Προηγούμενες μελέτες που χρησιμοποιούσαν εκρηγνυόμενα αστέρια σουπερνόβα (supernova) ως ουράνια ρολόγια είχαν επιβεβαιώσει ότι ο χρόνος κυλούσε πιο αργά στο σύμπαν πριν από περίπου 7 δισεκατομμύρια χρόνια.
Αλλά οι σουπερνόβα είναι πολύ μικροί αστερισμοί, πολύ αμυδροί για να χρησιμοποιηθούν ως ρολόγια στην άκρη του παρατηρήσιμου σύμπαντος, σε απόσταση μεγαλύτερη από 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Έτσι, οι αστρονόμοι στράφηκαν προς τα μεγαλύτερα, πολύ φωτεινότερα κβάζαρ.
Οι υπερκαινοφανείς (supernovae) είναι «σχετικά απλοί: Κάνουν μπαμ. Είναι ένα πυροτέχνημα -ένα πολύ φωτεινό πυροτέχνημα- Αλλά φωτίζονται και σβήνουν με ένα συγκεκριμένο μοτίβο», λέει ο Lewis. Αλλά τα κβάζαρ αλλάζουν φωτεινότητα με πολύ πιο περίπλοκους τρόπους, που μοιάζουν περισσότερο με τις αλλαγές στο χρηματιστήριο παρά με ένα πυροτέχνημα, λέει.
«Αν τα κβάζαρ απλά έδιναν παλμούς ή απλά αναβόσβηναν, αυτό θα έκανε τη ζωή μας πολύ πιο εύκολη, αλλά δεν το κάνουν», λέει ο Lewis. «Το ερώτημα είναι, υπάρχει ένα είδος τικ που κρύβεται σε αυτή τη μεταβλητότητα; Οι άνθρωποι έψαχναν γι’ αυτό και δεν μπορούσαν να βρουν τίποτα».
Ας συγκρίνουμε τα μήλα με τα μήλα, κι ας είναι κοσμικά
Αλλά στα τέλη του 2022, εμφανίστηκε ένα νέο σύνολο δεδομένων. Οι ερευνητές μελετούσαν ένα δείγμα 190 κβάζαρ για 20 χρόνια, λέει ο Lewis, «οπότε είχαν ένα νέο, πιο πλήρες σύνολο δεδομένων από ό,τι είχαν χρησιμοποιήσει οι άνθρωποι πριν».
Ένα από τα προβλήματα με τα κβάζαρ είναι ότι όλα είναι άτομα, λέει. Ανάλογα με την απόστασή τους, το φως από τα κβάζαρ που φτάνει στη Γη μπορεί να είναι συγκεντρωμένο σε διαφορετικά μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: υπεριώδες φως μήκους κύματος, μπλε ορατό φως ή περισσότερο πράσινο φως.
Αυτό που συνειδητοποίησε ο Lewis είναι ότι με το νέο σύνολο δεδομένων, θα μπορούσε να αρχίσει να ομαδοποιεί τα κβάζαρ ανάλογα με τη φωτεινότητά τους και το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός, ώστε να κάνει πιο ακριβείς συγκρίσεις.
«Μπορούσα να τα εγκλωβίσω όλα και επομένως να συγκρίνω μήλα με μήλα», λέει. Λίγη εξελιγμένη στατιστική ανάλυση αργότερα με τη βοήθεια του συν-συγγραφέα του Lewis, του στατιστικολόγου Brendon Brewer του Πανεπιστημίου του Όκλαντ, και η προβλεπόμενη χρονική διαστολή τελικά φάνηκε στη μεταβλητότητα των μακρινών κβάζαρ.
Τώρα που ο Lewis επιβεβαίωσε τις προβλέψεις του Αϊνστάιν, ελπίζει να χρησιμοποιήσει τις τεχνικές που χρησιμοποίησε για να αναλύσει τα κβάζαρ για σημάδια χρονικής διαστολής για να προσπαθήσει να κατανοήσει καλύτερα τα ίδια τα κβάζαρ.
«Έχουμε αυτά τα διαφορετικά κουτιά στα οποία βάζουμε τα κβάζαρ και διαπιστώσαμε ότι υπάρχει ένα συστηματικό είδος αλλαγής στις ιδιότητες σε όλα τα κουτιά», λέει. «Αυτό πρέπει να συνδέεται με τη φυσική των κβάζαρ. Αυτό πρέπει να συνδέεται με το τι συμβαίνει με τις μαύρες τρύπες».
Παράλληλα, ο Lewis ελπίζει ότι άλλοι ερευνητές θα επαναλάβουν τις μετρήσεις του και θα τις προχωρήσουν περαιτέρω. Μεγάλα προγράμματα αστρονομικής έρευνας του ουρανού, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Euclid του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, το οποίο εκτοξεύτηκε την 1η Ιουλίου, και το επίγειο παρατηρητήριο Vera Rubin, το οποίο θα αρχίσει να λειτουργεί το 2025, θα πρέπει να αποκαλύψουν τεράστιο αριθμό νέων κβάζαρ που θα επιτρέψουν στους κοσμολόγους να θεμελιώσουν περαιτέρω τις θεωρίες του Αϊνστάιν για το πρώιμο σύμπαν.
Βασιζόμενοι σε αυτό το θεμέλιο, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να χρησιμοποιήσουν τα κβάζαρ για να μελετήσουν τη διαστολή του πρώιμου σύμπαντος και, από εκεί και πέρα, να αρχίσουν να λύνουν μερικά από τα διαρκή μυστήρια του σύμπαντος που ο Αϊνστάιν δεν μπόρεσε να κατανοήσει.
«Μπορείτε να προσπαθήσετε να χαρτογραφήσετε τις λεπτομέρειες της διαστολής, επειδή σε αυτή τη λεπτομερή διαστολή κρύβεται η φυσική της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας», λέει ο Lewis.
Πηγή: Inverse
