Η ερμηνεία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου χωρίς Big Bang

Χαρτογράφηση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το δορυφόρο WMAP

Δυο είναι τα βασικότερα επιχειρήματα που εδραίωσαν τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης:
1. Η διαστολή του σύμπαντος και 2. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου
Οι αστρονομικές παρατηρήσεις του Hubble οδήγησαν στην εξίσωση που περιγράφει τον ομώνυμο νόμο,
σύμφωνα με τον οποίο
σε οποιαδήποτε διεύθυνση κι αν κοιτάξουμε, παρατηρούμε γαλαξίες να απομακρύνονται από εμάς και όσο πιο απομακρυσμένοι είναι οι γαλαξίες, τόσο ταχύτερα απομακρύνονται. Εφόσον ο γαλαξίας μας δεν κατέχει μια ιδιαίτερη θέση στο σύμπαν, την ίδια εικόνα θα είχαμε αν παρατηρούσαμε το σύμπαν από οποιοδήποτε άλλο γαλαξία. Έτσι, το λογικό συμπέρασμα είναι ότι το σύμπαν διαστέλλεται.
Η παραδοχή ότι το σύμπαν διαστέλλεται μας υποβάλλει στην ιδέα ότι κάποτε το σύμπαν ήταν πολύ μικρότερο και ότι αν πάμε πολύ πιο πίσω στο χρόνο θα μπορούσε να ήταν σημειακό. Έτσι οδηγούμαστε στην ιδέα του Big Bang - την στιγμή της δημιουργίας του σύμπαντος και την μετέπειτα διαστολή του, σε συνδυασμό πάντα με τα αντίστοιχα θεωρητικά μοντέλα της γενικής θεωρία της σχετικότητας.
Όμως αυτό που έκανε την επιστημονική κοινότητα να πάρει στα σοβαρά την θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης ήταν η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι κατάλοιπο της Μεγάλης Έκρηξης. Λίγο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, η ύλη και η ακτινοβολία βρισκόταν σε ισορροπία μεταξύ τους.
Στη συνέχεια καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και θερμοκρασία έπεφτε σε μερικά δισεκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν, τα νετρόνια και τα πρωτόνια άρχισαν να συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας βαρύτερους πυρήνες.
Όμως οι συνθήκες που επικρατούσαν κατά την αρχέγονη πυρηνοσύνθεση σε συνδυασμό με την έλλειψη σταθερών πυρήνων με μαζικό αριθμό Α= 5 και Α= 8, οδήγησαν στο σχηματισμό ελαφρών πυρήνων όπως δευτέριο, τρίτιο και ήλιο (κυρίως).
Με το τέλος της πυρηνοσύνθεσης η ακτινοβολία έπαψε να αλληλεπιδρά με την ύλη και από τότε είναι «διασκορπισμένη» στο διαστελλόμενο σύμπαν.
Η ακτινοβολία αυτή αντιστοιχεί σε μια θερμοκρασία του σύμπαντος.
Οι πρώτοι θεωρητικοί υπολογισμοί της θερμοκρασίας αυτής σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης έγιναν στη δεκαετία του 1940 από τους Gamow, Alpher, Herman και αργότερα στις αρχές της δεκαετίας του 1960 από τους B. Dick, J. Peebles et al.

To άρθρο των Penzias - Wilson στο Astrophysical Journal με τίτλο "Α measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s" για το οποίο τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ. Ακριβώς πάνω απ' αυτό οι Dicke et al δημοσίευαν το δικό τους άρθρο στο οποίο "προέβλεπαν" την θερμοκρασία μικροκυματικής ακτινοβολίας στα πλαίσια της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης 

Η πρόβλεψη των θεωρητικών της Μεγάλης Έκρηξης επιβεβαιώθηκε από τους Penzias και Wilson το 1964, οι οποίοι ανίχνευσαν τυχαία την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, που σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες μετρήσεις είναι 2.725 Κ.
Και μια θεωρία γίνεται αποδεκτή όταν οι προβλέψεις της επαληθεύονται πειραματικά
Η μεγάλη ειρωνεία είναι πως
οι Penzias-Wilson δεν ήταν οι πρώτοι που ανακάλυψαν την ακτινοβολία υποβάθρου,
Ο Andrew McKellar ήδη από το 1941, μελετώντας τα φάσματα κυανίου C-N και C-H που περιέχονται στην μεσοαστρική ύλη, απέδειξε πως η θερμοκρασία του σύμπαντος είναι περίπου 2,3 Κ ! (ΕΔΩ και ΕΔΩ)

Και ακόμη μεγαλύτερη ειρωνεία είναι πως ούτε η θεωρία του Big Bang (που εκφραζόταν από τους Gamow, Alpher, Herman και B. Dick, J. Peebles) ήταν η μόνη θεωρία που μπορούσε να προβλέψει την ύπαρξή της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου!

Κι όμως σήμερα ο περισσότερος κόσμος θεωρεί ότι ανακάλυψη της ακτινοβολίας υποβάθρου έδωσε τέλος στη διαμάχη μεταξύ του μοντέλου της Σταθερής Κατάστασης και της Μεγάλης Έκρηξης με επιβεβαίωση του δευτέρου, διότι το ανταγωνιστικό μοντέλο της Σταθερής Κατάστασης δεν έδινε κάποια πρόβλεψη για ενδεχόμενη ακτινοβολία υποβάθρου.
Κι όμως οι επιστήμονες που στήριζαν την αντίπαλη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, τη θεωρία Σταθερής Κατάστασης Bondi, Gold και Hoyle, το 1955, θα μπορούσαν να φτάσουν στην πρόβλεψη της θερμοκρασίας υποβάθρου – και μάλιστα με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια! [Η θεωρία της σταθερής κατάστασης επιβιώνει μέχρι σήμερα με αρκετές τροποποιήσεις ως κοσμολογία ημιστατικής κατάστασης (Quasi steady state cosmology, QSSC)]
Η συλλογιστική τους θα μπορούσε να είναι μια πολύ καλή άσκηση φυσικής!
Σύμφωνα με το κεφάλαιο «Τhe cosmic microwave background – an historical account» από το βιβλίο των F. Hoyle, G. Burbidge, N. Narlikar, «Α Different Approach to Cosmology»:
Η θεωρία της Σταθερής Κατάστασης θεωρούσε ότι η ποσότητα του στοιχείου ηλίου που παρατηρείται στο σύμπαν (περίπου 24,4% κατά βάρος) δημιουργήθηκε στο εσωτερικό των άστρων. Όμως οι πυρηνικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό των άστρων για να μετατρέψουν το υδρογόνο σε ήλιο είναι εξώθερμες και παράγουν ακτινοβολία
συνοπτικά
4 ¹H → ⁴Ηe + Q ( =26,73 MeV)
Oι θεωρητικοί της σταθερής κατάστασης αποδίδουν την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου σ’ αυτές τις εξώθερμες πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης.
Αν η παραπάνω υπόθεση είναι σωστή μπορούμε να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία του σύμπαντος αν είναι γνωστά:

• η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά το σχηματισμό ενός πυρήνα He: Q=26,73 MeV
• η πυκνότητα σύμπαντος: ρ=3x10^-31 g/cm³
• και το κλάσμα μάζας του He στο σύμπαν: f_He=0,244

Η ενέργεια που απελευθερώθηκε στο σύμπαν κατά την παραγωγή του He
βρίσκεται εύκολα από τη σχέση

όπου Ν_Α ο αριθμός Avogadro και Μ_r η γραμμομοριακή μάζα του He.

Για να προχωρήσουμε πρέπει να θυμηθούμε τους νόμους που διέπουν την ακτινοβολία του μέλανος σώματος,
δεδομένου ότι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου έχει όλα τα χαρακτηριστικά αυτής της ακτινοβολίας.
Η κατανομή Planck δίνει την ενέργεια du της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος ανά μονάδα όγκου σ’ ένα μικρό εύρος μηκών κύματος από λ έως λ+dλ σύμφωνα με την σχέση

Η ολική ενεργειακή πυκνότητα στην ακτινοβολία του μέλανος σώματος δίνεται από το ολοκλήρωμα

To παραπάνω ολοκλήρωμα υπολογίζεται αριθμητικά και το αποτέλεσμα είναι

Αυτός είναι ο νόμος Stefan – Boltzmann.
Αν στην εξίσωση αυτή θέσουμε την τιμή της ενεργειακής πυκνότητας u που υπολογίσαμε στην εξίσωση 1, και λύσουμε ως προς τη θερμοκρασία Τ, παίρνουμε

Τ= 2,8 Κ

πάρα πολύ κοντά στην θερμοκρασία του σύμπαντος που προσδιορίζεται πειραματικά.
Υπενθυμίζεται ότι οι θεωρητικοί υπολογισμοί σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης των Gamow, Alpher,Herman και αργότερα οι B. Dick, J. Peebles υπολόγιζαν θερμοκρασία 5 έως 10 Κ, ενώ οι Penzias – Wilson μετρούσαν μια θερμοκρασία λίγο μικρότερη των 3 Κ.
Γεννιέται λοιπόν το ερώτημα: Αφού και η θεωρία της σταθερής κατάστασης προέβλεπε και με μεγαλύτερη ακρίβεια την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, γιατί η ανακάλυψή της θεωρήθηκε πρόβλεψη της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης;
Η απάντηση δίνεται πάλι στο βιβλίο των F. Hoyle, G. Burbidge, N. Narlikar, «Α Different Approach to Cosmology»:

Ενώ είχαν υπολογίσει το 1955 την ενεργειακή πυκνότητα της εξίσωσης 1, μόνον ο Gold θεωρούσε ότι αυτή στη συνέχεια «θερμοποιήθηκε» δημιουργώντας έτσι το υπόβαθρο της ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Οι Bondi και Hoyle υποστήριξαν ότι δεν υπάρχουν αρκετά επιχειρήματα ώστε να στηρίξουν την θερμοποίηση της ακτινοβολίας, οπότε με δυο ψήφους εναντίον μιας χάθηκε μια μεγάλη ευκαιρία για την ανάδειξη της θεωρίας σταθερής κατάστασης.
Άραγε αν οι Bondi, Gold και Hoyle είχαν κάνει το τελευταίο βήμα και δημοσίευαν το αποτέλεσμα - θερμοκρασία σύμπαντος 2,8 Κ – η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης θα είχε περάσει στην ανυποληψία;