A cikk címe nem biztos, hogy okos poénnak tűnik. Az általánosan elfogadott kozmológiai koncepció, az ősrobbanás elmélete szerint Univerzumunk egy kvantumingadozás által létrehozott fizikai vákuum extrém állapotából keletkezett. Ebben az állapotban sem az idő, sem a tér nem létezett (vagy tér-idő habokba keveredtek), és minden alapvető fizikai interakció összeolvadt. Később különváltak, és önálló létet szereztek - először gravitáció, majd erős kölcsönhatás, és csak ezután - gyenge és elektromágneses.
Térjünk vissza a tudományos alapokra
Az ősrobbanás elméletében a világegyetemünk korai történetét tanulmányozó tudósok abszolút többsége bízik. Valójában sokat magyaráz, és semmilyen módon nem mond ellent a kísérleti adatoknak. A közelmúltban azonban versenytársa van egy új, ciklikus elmélet előtt, amelynek alapjait két extrakategóriás fizikus fejlesztette ki - a Princetoni Egyetem Elméleti Tudományok Intézetének igazgatója, Paul Steinhardt, valamint a Maxwell-érem és a rangos nemzetközi TED-díj díjazottja, Neil Turok, a Kanadai Elméleti Haladó Tanszék igazgatója. Fizika (Perimeter Elméleti Fizikai Intézet). Steinhardt professzor segítségével a Popular Mechanics megpróbált beszélni a ciklikus elméletről és annak megjelenésének okairól.
Az eseményeket megelőző pillanat, amikor „először a gravitáció, majd az erős kölcsönhatás, és csak azután - gyenge és elektromágneses.” Megjelent, szokás nulla időnek jelölni, t = 0, de ez tiszta egyezmény, tisztelgés a matematikai formalizmus előtt. A szokásos elmélet szerint az idő folyamatos áramlása csak a gravitációs erő függetlenné válása után kezdődött. Ezt a pillanatot általában a t = 10-43 s (pontosabban 5,4x10-44 s) értéknek tulajdonítják, amelyet Planck-időnek hívnak. A modern fizikai elméletek egyszerűen nem képesek értelmesen dolgozni rövidebb időtartamokkal (úgy gondolják, hogy ehhez egy kvantum gravitációs elméletre van szükség, amely még nem született meg). A hagyományos kozmológia összefüggésében nincs értelme arról beszélni, ami a kezdeti időpont előtt történt,mert az idő megértésünk szerint akkor egyszerűen nem létezett.
Az infláció fogalma a szokásos kozmológiai elmélet nélkülözhetetlen része (lásd az oldalsávot). Az infláció vége után a gravitáció a sajátjába került, és az Univerzum tovább bővült, de csökkenő ütemben. Ez az evolúció több mint 9 milliárd éven át tartott, majd egy másik, még ismeretlen természetű antigravitációs mező, amelyet sötét energiának neveznek, működésbe lépett. Ismét egy exponenciális terjeszkedésbe hozta az Univerzumot, amelynek - úgy tűnik - meg kell maradnia a jövőben is. Meg kell jegyezni, hogy ezek a következtetések a múlt század végén, majdnem 20 évvel az inflációs kozmológia megjelenése után tett asztrofizikai felfedezéseken alapulnak.
Az Ősrobbanás inflációs értelmezését először körülbelül 30 évvel ezelőtt javasolták, és azóta sokszor finomították. Ez az elmélet lehetővé tette számos olyan alapvető probléma megoldását, amelyekkel a korábbi kozmológia nem tudott megbirkózni. Például elmagyarázta, miért élünk egy lapos euklideszi geometriájú univerzumban - a klasszikus Friedmann-egyenletek szerint pontosan ezt kell tennie az exponenciális tágulással. Az inflációs elmélet megmagyarázta, miért van a kozmikus anyagnak olyan részletességű skálája, amely nem haladja meg a fénymilliók százmillióit, és egyenletesen oszlik el nagy távolságokon. Értelmezte a mágneses monopólusok, egyetlen mágneses pólussal rendelkező, nagyon masszív részecskék felderítésére tett kísérletek kudarcát is, amelyekről úgy vélik, hogyaz infláció kezdete előtt bőségesen születtek (az infláció kifeszítette a világűret, így a monopólusok kezdetben nagy sűrűsége majdnem nullára csökkent, ezért műszereink nem tudják kimutatni őket).
Promóciós videó:
Nem sokkal az inflációs modell megjelenése után több teoretikus felismerte, hogy belső logikája nem mond ellent az újabb és újabb univerzumok állandó többszörös születésének gondolatának. Valóban, olyan kvantumingadozások, mint amelyek világunknak köszönhetjük a létet, bármilyen mennyiségben előfordulhatnak, feltéve, hogy a feltételek megfelelőek. Nem kizárt, hogy univerzumunk elhagyta az elődvilágban kialakult ingadozási zónát. Ugyanígy feltételezhető, hogy valamikor és valahol a saját Univerzumunkban egy fluktuáció képződik, amely egy teljesen másfajta, szintén kozmológiai "nemzésre" képes fiatal univerzumot "fúj ki". Vannak olyan minták, amelyekben az ilyen gyermekuniverzumok folyamatosan megjelennek, kihajtják szüleiket, és megtalálják a maguk helyét. Sőt, egyáltalán nem szükséges, hogy ugyanazok a fizikai törvények létrejöjjenek az ilyen világokban. Mindezek a világok egyetlen tér-idő kontinuumban "beágyazódnak", de annyira el vannak választva egymástól, hogy semmilyen módon nem érzik egymás jelenlétét. Az infláció fogalma általánosságban lehetővé teszi - ráadásul arra készteti! - azt hinni, hogy a gigantikus megakozmoszban sok elszigetelt univerzum létezik, eltérő elrendezéssel.
Az elméleti fizikusok szívesen kínálnak alternatívákat a legáltalánosabban elfogadott elméletekkel szemben is. Az ősrobbanás inflációs modelljének is vannak versenytársai. Nem kaptak széles támogatást, de vannak és vannak saját híveik. Steinhardt és Turok elmélete közöttük nem az első és minden bizonnyal nem utolsó. Ma azonban részletesebben kidolgozták, mint a többi, és jobban megmagyarázza világunk megfigyelt tulajdonságait. Számos változata van, amelyek egy része kvantumhúr-elméleten és többdimenziós tereken alapul, míg mások a hagyományos kvantumtér-elméletre támaszkodnak. Az első megközelítés élénkebb képet ad a kozmológiai folyamatokról, ezért tovább fogunk térni rá.
A húrelmélet legfejlettebb verziója M-elmélet néven ismert. Azt állítja, hogy a fizikai világnak 11 dimenziója van - tíz térbeli és egy időbeli. Alacsonyabb méretű terek, az úgynevezett bránok úsznak benne. Világegyetemünk csak egy ilyen sáv, három térbeli dimenzióval. Tele van különféle kvantumrészecskékkel (elektronok, kvarkok, fotonok stb.), Amelyek valójában nyitott rezgő húrok, amelyeknek egyetlen térdimenziója van - hossza. Mindegyik húr vége szilárdan rögzítve van egy háromdimenziós korona belsejében, és a húr nem hagyhatja el a korpát. De vannak olyan zárt húrok is, amelyek vándorolhatnak a sávokon kívül - ezek gravitonok, a gravitációs mező kvantumai.
Hogyan magyarázza a ciklikus elmélet az univerzum múltját és jövőjét? Kezdjük a jelenlegi korszakkal. Az első hely most a sötét energia, ami univerzumunk exponenciális terjeszkedését okozza, időnként megduplázva a méretét. Ennek eredményeként az anyag és a sugárzás sűrűsége folyamatosan csökken, a tér gravitációs görbülete gyengül, geometriája pedig egyre laposabbá válik. Az elkövetkező billió évben az Univerzum mérete körülbelül százszorosára nő, és szinte üres világgá válik, teljesen mentes az anyagi struktúráktól. Mellettünk van egy másik háromdimenziós korona, amelyet a negyedik dimenzióban jelentéktelen távolság választ el tőlünk, és ez is hasonló exponenciális táguláson és ellapuláson megy keresztül. Ennyi idő alatt a korongok közötti távolság gyakorlatilag nem változik.
És akkor ezek a párhuzamos sávok egymáshoz kezdenek. Erőtér tolja egymás felé, amelynek energiája a korongok közötti távolságtól függ. Most egy ilyen tér energiasűrűsége pozitív, ezért mindkét korona tere exponenciálisan tágul - ezért ez a mező biztosítja azt a hatást, amelyet a sötét energia jelenléte magyaráz! Ez a paraméter azonban fokozatosan csökken, és billió év múlva nullára csökken. Mindkét brane egyébként is tovább fog bővülni, de nem exponenciálisan, hanem nagyon lassú tempóban. Következésképpen a világunkban a részecskék és a sugárzás sűrűsége majdnem nulla marad, és a geometria lapos marad.
De a régi történet vége csak a következő ciklus előzménye. A korzók egymás felé mozognak és végül ütköznek. Ebben a szakaszban a szakmaközi mező energiasűrűsége nulla alá csökken, és a gravitációhoz hasonlóan kezd el viselkedni (emlékeztessünk arra, hogy a gravitáció negatív potenciális energiával rendelkezik! Amikor a sávok nagyon közel vannak, a sávközi mező a világ minden pontján elkezdi felerősíteni a kvantumingadozásokat, és azokat a térgeometria makroszkopikus alakváltozásává alakítja (például az ütközés előtti egymillió másodperc alatt az ilyen alakváltozások számított mérete eléri a több métert). Az ütközés után ezekben a zónákban szabadul fel az ütközés során felszabaduló mozgási energia oroszlánrésze. Ennek eredményeként ott fordul elő a legtöbb forró plazma, amelynek hőmérséklete körülbelül 1023 fok. Ezek a régiók válnak a gravitáció helyi csomópontjává, és a későbbi galaxisok embrióivá válnak.
Egy ilyen ütközés felváltja az inflációs kozmológia Nagy Bummját. Nagyon fontos, hogy minden új, pozitív energiájú anyag megjelenjen a szakmaközi mező felhalmozódott negatív energiája miatt, ezért az energia-megmaradás törvényét nem sértik.
Hogyan viselkedik egy ilyen mező ebben a döntő pillanatban? Az ütközés előtt energiájának sűrűsége eléri a minimumot (és negatív), majd növekedni kezd, és ütközéskor nulla lesz. A koronák ezután taszítják egymást, és szétszóródni kezdenek. Az elágazó energiák sűrűsége a fordított evolúción megy keresztül - ismét negatív, nulla, pozitív lesz. Az anyaggal és sugárzással dúsított korpa először csökkenő sebességgel tágul saját gravitációjának fékhatása alatt, majd ismét exponenciális tágulásra megy át. Az új ciklus az előzőhöz hasonlóan fejeződik be - és így tovább végtelenül. A mieinket megelőző ciklusok a múltban is előfordultak - ebben a modellben az idő folyamatos, tehát a múlt a 13,7 milliárd éven túl is létezik, amely eltelt a korpa utolsó anyaggal és sugárzással való dúsítása óta!Akár egyáltalán volt kezdetük, az elmélet hallgat.
A ciklikus elmélet új módon magyarázza világunk tulajdonságait. Sima geometriájú, mivel minden ciklus végén túlzottan megnyúlik és csak kissé deformálódik, mielőtt új ciklust indítana. A galaxisok elődjévé váló kvantumingadozások kaotikusan, de átlagosan egyenletesen merülnek fel - ezért a világűr tele van anyagcsomókkal, de nagyon nagy távolságokon meglehetősen homogén. Nem tudjuk detektálni a mágneses monopólusokat pusztán azért, mert az újszülött plazma maximális hőmérséklete nem haladta meg az 1023 K értéket, és az ilyen részecskék megjelenéséhez sokkal nagyobb energiákra van szükség - 1027 K nagyságrendben.
A ciklikus elmélet több változatban létezik, csakúgy, mint az inflációs elmélet. Paul Steinhardt szerint azonban a köztük lévő különbségek pusztán technikai jellegűek és csak a szakemberek számára érdekesek, az általános koncepció változatlan marad: „Először is, elméletünkben nincs a világ kezdetének pillanata, nincs szingularitás. Az anyag és a sugárzás intenzív létrehozásának periodikus fázisai vannak, amelyek kívánt esetben mindegyiket Nagy Bummnak nevezhetjük. De e fázisok egyike sem jelöli egy új univerzum megjelenését, hanem csak az egyik ciklusból a másikba való átmenet. Tér és idő egyaránt létezik e kataklizma előtt és után is. Ezért teljesen természetes azt kérdezni, hogy mi volt a helyzet 10 milliárd évvel az utolsó Nagy Bumm előtt, amelyből az univerzum történetét számoljuk.
A második legfontosabb különbség a sötét energia jellege és szerepe. Az inflációs kozmológia nem jósolta meg az Univerzum lassuló tágulásának felgyorsultvá válását. És amikor az asztrofizikusok felfedezték ezt a jelenséget távoli szupernóvák robbanásainak megfigyelésével, a szokásos kozmológia nem is tudta, mit kezdjen ellene. A sötét energia hipotézisét egyszerűen azért hozták létre, hogy e megfigyelések paradox eredményeit valahogy összekapcsolják az elmélettel. A megközelítésünket sokkal jobban megpecsételi a belső logika, mivel kezdetben sötét energiánk van, és ez az energia biztosítja a kozmológiai ciklusok váltakozását. " Ugyanakkor, ahogy Paul Steinhardt megjegyzi, a ciklikus elméletnek is vannak gyenge pontjai: „Még nem sikerült meggyőzően leírni a párhuzamos siklók ütközési és visszapattanási folyamatát, amely az egyes ciklusok elején zajlik. A ciklikus elmélet egyéb aspektusai sokkal jobban kidolgozottak, de még mindig sok kétértelműséget kell tisztázni."
De még a legszebb elméleti modellek is kísérleti igazolást igényelnek. Megerősíthetik-e vagy megcáfolhatják-e a ciklikus kozmológiát megfigyelések? "Az inflációs és a ciklikus elméletek egyaránt megjósolják a relikviás gravitációs hullámok létét" - magyarázza Paul Steinhardt. - Az első esetben azok primer kvantumingadozásokból fakadnak, amelyek az infláció során a tér felett bekenődnek, és geometriájának periodikus rezgéseit generálják - és ezek az általános relativitáselmélet szerint gravitációs hullámok. Forgatókönyvünk szerint a kvantumingadozások is az ilyen hullámok kiváltó okai - ugyanazok, amelyeket a korona ütközései felerősítenek. A számítások kimutatták, hogy minden mechanizmus meghatározott spektrumú és specifikus polarizációjú hullámokat generál. Ezeknek a hullámoknak meg kellett hagyniuk a nyomokat a kozmikus mikrohullámú sugárzásban, amely felbecsülhetetlen információforrás a korai űrről. Eddig ilyen nyomokat nem találtak, de valószínűleg ez a következő évtizeden belül megtörténik. Ezenkívül a fizikusok már gondolkodnak az ereklye gravitációs hullámainak űrhajókkal történő közvetlen regisztrálásán, amely két-három évtized múlva megjelenik."
Egy másik különbség Steinhardt professzor szerint a mikrohullámú háttérsugárzás hőmérséklet-eloszlása: „Ez az ég különböző részeiből érkező sugárzás nem egészen egyenletes hőmérsékletű, egyre kevésbé fűtött zónákkal rendelkezik. A modern berendezések által biztosított mérési pontosság szintjén a meleg és a hideg zónák száma megközelítőleg megegyezik, ami egybeesik mindkét elmélet - mind inflációs, mind ciklikus - következtetéseivel. Ezek az elméletek azonban finomabb különbségeket jósolnak a zónák között. Elvileg képesek lesznek azonosítani a tavaly indított „Planck” európai űrmegfigyelő központot és más legújabb űrhajókat. Remélem, hogy e kísérletek eredményei segítenek választani az inflációs és a ciklikus elméletek között. De megtörténhethogy a helyzet bizonytalan marad, és egyik elmélet sem kap egyértelmű kísérleti támogatást. Nos, akkor ki kell találnom valami újat."
Az inflációs modell szerint röviddel a születése után az Univerzum exponenciálisan, nagyon rövid időre kitágult, megduplázva lineáris méreteit. A tudósok úgy vélik, hogy ennek a folyamatnak a kezdete időben egybeesett az erős kölcsönhatás elválásával, és 10-36 s időponttal történt. Ez a terjeszkedés (Sidney Coleman amerikai elméleti fizikus könnyű kezével kozmológiai inflációnak hívták) rendkívül rövid ideig tartott (akár 10-34 s-ig), de az Univerzum lineáris dimenzióit legalább 1030-1050-szeresére növelte, és valószínűleg sokkal többre is. A legtöbb specifikus forgatókönyv szerint az inflációt egy anti-gravitációs kvantum skaláris mező indította el, amelynek energiasűrűsége fokozatosan csökkent és végül elérte a minimumot. Mielőtt ez megtörtént, a mező gyorsan oszcillálni kezdett,elemi részecskék generálása. Ennek eredményeként az inflációs fázis végére az Univerzum tele volt egy szuperhős plazmával, amely szabad kvarkokból, gluonokból, leptonokból és nagy energiájú elektromágneses sugárzási kvantumokból állt.
Radikális alternatíva
Az 1980-as években Steinhardt professzor jelentősen hozzájárult az ősrobbanás standard elméletének kidolgozásához. Ez azonban nem akadályozta meg abban, hogy radikális alternatívát keressen az elmélettel szemben, amelybe annyi munkát fektettek. Mint maga Paul Steinhardt a Popular Mechanicsnak elmondta, az inflációs hipotézis valóban sok kozmológiai rejtélyt tár fel, de ez nem azt jelenti, hogy nincs értelme más magyarázatokat keresni: „Eleinte csak az érdekelt, hogy megpróbáljam megérteni világunk alapvető tulajdonságait anélkül, hogy az inflációhoz folyamodnék. Később, amikor jobban belemélyedtem ebbe a kérdésbe, meggyőződtem arról, hogy az inflációs elmélet egyáltalán nem olyan tökéletes, mint azt hívei állítják. Amikor az inflációs kozmológia éppen készülőben volt, reméltük, hogy ez megmagyarázza az anyag eredeti kaotikus állapotából az aktuálisan rendezett Univerzumba való átmenetet. Megtette - de sokkal tovább ment.
Az elmélet belső logikája megkövetelte annak elismerését, hogy az infláció folyamatosan végtelen számú világot hoz létre. Ez nem lenne nagy baj, ha fizikai eszközük lemásolná a sajátunkat, de ez egyszerűen nem működik. Például az inflációs hipotézis segítségével meg lehetett magyarázni, miért élünk egy lapos euklideszi világban, de végül is a legtöbb más univerzum nem biztos, hogy ugyanaz a geometria. Röviden: egy elméletet építettünk a saját világunk magyarázatára, amely kiszabadult a kezéből és végtelen sokféle egzotikus világot szült. Ez a helyzet már nem állt be nekem. Sőt, a standard elmélet nem képes megmagyarázni a korábbi állapot jellegét, amely megelőzte az exponenciális terjeszkedést. Ebben az értelemben ugyanolyan hiányos, mint az infláció előtti kozmológia. Végül,képtelen mondani semmit a sötét energia természetéről, amely 5 milliárd éve hajtja univerzumunk terjeszkedését.