Šio straipsnio pavadinimas gali neskambėti kaip protingas pokštas. Pagal visuotinai priimtą kosmologinę koncepciją, Didžiojo sprogimo teoriją, mūsų Visata atsirado dėl ekstremalios fizinio vakuumo būsenos, kurią sukėlė kvantinis svyravimas. Šioje būsenoje nei laikas, nei erdvė neegzistavo (arba jie buvo įsipainioję į erdvėlaikio putas), ir visos pagrindinės fizinės sąveikos buvo sujungtos. Vėliau jie išsiskyrė ir įgijo savarankišką egzistavimą - pirmiausia gravitaciją, paskui stiprią sąveiką ir tik tada - silpną ir elektromagnetinę.
Grįžkime prie mokslo pagrindų
Didžiojo sprogimo teorija pasitiki absoliuti dauguma mokslininkų, studijuojančių ankstyvąją mūsų Visatos istoriją. Iš tiesų, tai daug ką paaiškina ir jokiu būdu neprieštarauja eksperimentiniams duomenims. Tačiau pastaruoju metu jis turi konkurentą naujos ciklinės teorijos akivaizdoje, kurios pagrindus sukūrė du aukščiausios klasės fizikai - Princetono universiteto Teorinio mokslo instituto direktorius Paulas Steinhardtas ir Maxwello medalio bei prestižinio tarptautinio TED apdovanojimo laureatas Neil Turok, Kanados teorinių studijų instituto direktorius. Fizika (Perimetro teorinės fizikos institutas). Padedama profesoriaus Steinhardto, populiarioji mechanika bandė kalbėti apie ciklo teoriją ir jos atsiradimo priežastis.
Akimirka prieš įvykius, kai „pirma gravitacija, tada stipri sąveika ir tik tada - silpna ir elektromagnetinė“. Pasirodė, paprastai žymima kaip nulis laikas, t = 0, tačiau tai yra gryna sutartis, duoklė matematiniam formalizmui. Pagal standartinę teoriją, nepertraukiamas laiko srautas prasidėjo tik tada, kai sunkio jėga tapo nepriklausoma. Šis momentas paprastai priskiriamas reikšmei t = 10-43 s (tiksliau, 5,4x10-44 s), kuri vadinama Plancko laiku. Šiuolaikinės fizikos teorijos paprasčiausiai nesugeba prasmingai dirbti su trumpesniais laikotarpiais (manoma, kad tam reikalinga kvantinė gravitacijos teorija, kuri dar nėra sukurta). Tradicinės kosmologijos kontekste nėra prasmės kalbėti apie tai, kas įvyko prieš pradinį laiko momentą,nes laikas mūsų supratimu tada tiesiog neegzistavo.
Infliacijos samprata yra esminė standartinės kosmologinės teorijos dalis (žr. Šoninę juostą). Pasibaigus infliacijai, gravitacija atsirado savaime, ir Visata toliau plėtėsi, tačiau mažėjančiu greičiu. Ši evoliucija truko 9 milijardus metų, po to pradėjo veikti dar vienas dar nežinomo pobūdžio anti-gravitacinis laukas, vadinamas tamsia energija. Tai vėl atvedė Visatą į eksponentinio išsiplėtimo būdą, kuris, atrodo, turėtų išlikti ir ateinančiais laikais. Reikėtų pažymėti, kad šios išvados yra pagrįstos astrofiziniais atradimais, padarytais praėjusio amžiaus pabaigoje, praėjus beveik 20 metų po infliacinės kosmologijos atsiradimo.
Infliacinis Didžiojo sprogimo aiškinimas pirmą kartą buvo pasiūlytas maždaug prieš 30 metų ir nuo to laiko buvo daug kartų tobulinamas. Ši teorija leido išspręsti kelias esmines problemas, kurių ankstesnė kosmologija nesugebėjo įveikti. Pavyzdžiui, ji paaiškino, kodėl mes gyvename visatoje su plokščia Euklido geometrija - pagal klasikines Friedmano lygtis, tai būtent tai ir turėtų daryti su eksponentine plėtra. Infliacijos teorija paaiškino, kodėl kosminės medžiagos granuliacija yra tokia, kad neviršija šimtų milijonų šviesos metų ir yra tolygiai paskirstyta dideliais atstumais. Ji taip pat paaiškino bandymų aptikti magnetinius monopolius, labai masyvias daleles su vienu magnetiniu poliu, kurie, kaip manoma, yra nesėkmingi.gimė gausiai iki infliacijos pradžios (infliacija ištempė kosmosą taip, kad iš pradžių didelis monopolijų tankis sumažėjo beveik iki nulio, todėl mūsų instrumentai jų negali aptikti).
Reklaminis vaizdo įrašas:
Netrukus po to, kai atsirado infliacinis modelis, keli teoretikai suprato, kad jo vidinė logika neprieštarauja vis daugiau ir daugiau naujų visatų nuolatinio daugybinio gimimo idėjai. Tiesą sakant, kvantiniai svyravimai, tokie kaip tie, kuriuos esame skolingi savo pasauliui, gali atsirasti bet kokiais kiekiais, jei yra tinkamos sąlygos. Neatmetama galimybė, kad mūsų visata paliko pirmtakų pasaulyje susiformavusią svyravimo zoną. Lygiai taip pat galima daryti prielaidą, kad kada nors ir kažkur mūsų pačių Visatoje susiformuos svyravimai, kurie „išpūs“visai kitokią jauną visatą, taip pat galinčią kosmologiškai „daugintis“. Yra modelių, pagal kuriuos tokios vaikų visatos atsiranda nuolat, atsišakoja nuo tėvų ir randa savo vietą. Be to, visai nebūtina, kad tokiuose pasauliuose būtų nustatyti tie patys fiziniai dėsniai. Visi šie pasauliai yra „įdėti“į vieną erdvės-laiko tęstinumą, tačiau jie yra taip nutolę vienas nuo kito, kad niekaip nejaučia vienas kito buvimo. Apskritai infliacijos samprata leidžia - be to, verčia! - manyti, kad gigantiškoje megakozmoje yra daugybė izoliuotų visatų su skirtingais susitarimais.
Teoriniai fizikai mėgsta sugalvoti alternatyvas net ir visuotinai priimtinoms teorijoms. Infliacinis Didžiojo sprogimo modelis taip pat turi konkurentų. Jie nesulaukė plataus palaikymo, tačiau turi ir turi savo pasekėjų. Steinhardto ir Turoko teorija tarp jų nėra pirmoji ir tikrai ne paskutinė. Tačiau šiandien jis buvo sukurtas išsamiau nei kiti ir geriau paaiškina pastebėtas mūsų pasaulio savybes. Jis turi keletą versijų, kai kurios iš jų yra pagrįstos kvantinių stygų teorija ir daugiamatėmis erdvėmis, o kitos remiasi tradicine kvantinio lauko teorija. Pirmasis požiūris suteikia ryškesnius kosmologinių procesų vaizdus, todėl prie jo ir apsistosime.
Pažangiausia stygų teorijos versija yra žinoma kaip M-teorija. Ji teigia, kad fizinis pasaulis turi 11 dimensijų - dešimt erdvinių ir vieną laikiną. Jame plūduriuoja mažesnių matmenų erdvės, vadinamosios branos. Mūsų visata yra tik viena iš šių branų, turinti tris erdvinius matmenis. Jis užpildytas įvairiomis kvantinėmis dalelėmis (elektronais, kvarkais, fotonais ir kt.), Kurios iš tikrųjų yra atviros vibruojančios stygos, turinčios tik vieną erdvinį matmenį - ilgį. Kiekvienos stygos galai yra tvirtai pritvirtinti trimatėje sruogoje, o stygos negali palikti sruogos. Tačiau yra ir uždarų stygų, kurios gali migruoti už branų ribų - tai yra gravitonai, gravitacinio lauko kvantai.
Kaip ciklinė teorija paaiškina visatos praeitį ir ateitį? Pradėkime nuo dabartinės eros. Pirmoji vieta dabar priklauso tamsijai energijai, dėl kurios mūsų visata eksponentiškai plečiasi, periodiškai padvigubėdama. Dėl to materijos ir spinduliuotės tankis nuolat mažėja, erdvės gravitacinis kreivumas silpsta, o jo geometrija tampa vis plokščia. Per ateinančius trilijonus metų visatos dydis padvigubės šimtą kartų ir ji virs beveik tuščiu pasauliu, visiškai neturinčiu materialių struktūrų. Šalia mūsų yra dar viena trimatė brana, kurią ketvirtojoje dimensijoje nuo mūsų skiria nereikšmingas atstumas, ir ji taip pat išgyvena panašų eksponentinį išsiplėtimą ir išsilyginimą. Visą šį laiką atstumas tarp branų išlieka praktiškai nepakitęs.
Ir tada šie lygiagretūs branai pradeda suartėti. Juos vienas kito link stumia jėgos laukas, kurio energija priklauso nuo atstumo tarp branų. Dabar tokio lauko energijos tankis yra teigiamas, todėl abiejų branų erdvė eksponentiškai plečiasi - taigi būtent šis laukas suteikia efektą, kuris paaiškinamas tamsiosios energijos buvimu! Tačiau šis parametras palaipsniui mažėja ir po trilijonų metų nukris iki nulio. Abu branai ir toliau plėsis, bet ne eksponentiškai, bet labai lėtai. Vadinasi, mūsų pasaulyje dalelių ir radiacijos tankis išliks beveik nulis, o geometrija išliks plokščia.
Tačiau senosios istorijos pabaiga yra tik kito ciklo įžanga. Branos juda viena kitos link ir galiausiai susiduria. Šiame etape tarpšakinio lauko energijos tankis nukrenta žemiau nulio ir jis pradeda veikti kaip gravitacija (leiskite man priminti, kad potenciali gravitacijos energija yra neigiama!). Kai branai yra labai arti, tarpbraninis laukas pradeda stiprinti kvantinius svyravimus kiekviename mūsų pasaulio taške ir paverčia juos makroskopinėmis erdvinės geometrijos deformacijomis (pavyzdžiui, milijonine sekundės dalimi prieš susidūrimą apskaičiuotas tokių deformacijų dydis siekia kelis metrus). Po susidūrimo išlaisvinama liūto dalis kinetinės energijos, išsiskiriančios smūgio metu. Todėl ten būna daugiausia karšta plazma, kurios temperatūra yra apie 1023 laipsnių. Būtent šie regionai tampa vietiniais gravitacijos mazgais ir virsta būsimų galaktikų embrionais.
Toks susidūrimas pakeičia didįjį infliacinės kosmologijos sprogimą. Labai svarbu, kad visa naujai susiformavusi teigiamą energiją turinti materija atsirastų dėl susikaupusios neigiamos tarpšakinės lauko energijos, todėl energijos išsaugojimo dėsnis nėra pažeidžiamas.
Ir kaip toks laukas elgiasi šiuo lemiamu momentu? Prieš susidūrimą jo energijos tankis pasiekia minimalų (ir neigiamą), tada pradeda didėti, o susidūrus jis tampa nulis. Tada branai vienas kitą atstumia ir ima skirstytis. Tarpšakinės energijos tankis praeina atvirkštinę evoliuciją - ji vėl tampa neigiama, nulis, teigiama. Medžiagos ir radiacijos prisodrinta brana, veikdama savo gravitacijos stabdymo efektu, pirmiausia mažėja mažėjančiu greičiu, o tada vėl pereina į eksponentinį išsiplėtimą. Naujas ciklas baigiasi kaip ir ankstesnis - ir taip toliau be galo. Prieš mus vykę ciklai vyko ir praeityje - pagal šį modelį laikas yra nepertraukiamas, taigi praeitis egzistuoja po 13,7 milijardo metų, praėjusių nuo paskutinio mūsų sėlenos praturtinimo materija ir radiacija!Nesvarbu, ar jie apskritai turėjo pradžią, teorija nutyli.
Ciklinė teorija naujai paaiškina mūsų pasaulio savybes. Jo geometrija yra plokščia, nes kiekvieno ciklo pabaigoje jis pernelyg išsitiesia ir tik šiek tiek deformuojasi prieš pradėdamas naują ciklą. Kvantiniai svyravimai, kurie tampa galaktikų pirmtakais, kyla chaotiškai, tačiau vidutiniškai tolygiai - todėl kosminė erdvė yra užpildyta medžiagos grumstais, tačiau labai dideliais atstumais ji yra gana vienalytė. Mes negalime aptikti magnetinių monopolių vien dėl to, kad naujagimio plazmos maksimali temperatūra neviršijo 1023 K, o tokioms dalelėms atsirasti reikalingos daug didesnės energijos - maždaug 1027 K.
Ciklinė teorija egzistuoja keliomis versijomis, kaip ir infliacijos teorija. Tačiau, pasak Paulo Steinhardto, skirtumai tarp jų yra grynai techniniai ir įdomūs tik specialistams, bendra samprata lieka nepakitusi: „Pirma, mūsų teorijoje nėra nė vieno pasaulio pradžios momento, nėra singuliarumo. Yra periodiškos intensyvios materijos ir radiacijos kūrimo fazės, kurias kiekvieną, jei pageidaujama, galima pavadinti Didžiuoju sprogimu. Bet nė viena iš šių fazių nepažymi naujos visatos atsiradimo, o tik perėjimą iš vieno ciklo į kitą. Tiek prieš bet kurį iš šių kataklizmų, tiek po jų egzistuoja ir erdvė, ir laikas. Todėl visiškai natūralu klausti, kokia buvo padėtis 10 milijardų metų prieš paskutinįjį Didįjį sprogimą, iš kurio skaičiuojama visatos istorija.
Antras pagrindinis skirtumas yra tamsiosios energijos pobūdis ir vaidmuo. Infliacinė kosmologija nenuspėjo lėtėjančios Visatos plėtimosi perėjimo į pagreitintą. Ir kai astrofizikai atrado šį reiškinį stebėdami tolimų supernovų sprogimus, standartinė kosmologija net nežinojo, ką su tuo daryti. Tamsiosios energijos hipotezė buvo pateikta tiesiog tam, kad paradoksalius šių stebėjimų rezultatus būtų galima susieti su teorija. Ir mūsų požiūrį žymiai geriau atspindi vidinė logika, nes iš pradžių mes turime tamsiąją energiją ir būtent ši energija užtikrina kosmologinių ciklų kaitaliojimąsi “. Tačiau, kaip pažymi Paulas Steinhardtas, ciklinė teorija taip pat turi silpnų vietų: „Mes dar negalėjome įtikinamai apibūdinti lygiagrečių branų susidūrimo ir atšokimo proceso, vykstančio kiekvieno ciklo pradžioje. Kiti cikliškos teorijos aspektai yra kur kas geriau išvystyti, tačiau vis tiek reikia pašalinti daug neaiškumų “.
Bet ir gražiausiems teoriniams modeliams reikia eksperimentinio patikrinimo. Ar stebėjimais galima patvirtinti ar paneigti ciklinę kosmologiją? „Tiek infliacijos, tiek ciklo teorijos numato relikvinių gravitacijos bangų egzistavimą“, - aiškina Paulas Steinhardtas. - Pirmuoju atveju jie atsiranda dėl pirminių kvantinių svyravimų, kurie infliacijos metu yra ištepti per erdvę ir generuoja periodinius jos geometrijos svyravimus - ir tai, pagal bendrą reliatyvumo teoriją, yra gravitacinės bangos. Mūsų scenarijuje kvantiniai svyravimai taip pat yra pagrindinė tokių bangų priežastis - tos pačios, kurias sustiprina branų susidūrimai. Skaičiavimai parodė, kad kiekvienas mechanizmas generuoja bangas su tam tikru spektru ir specifine poliarizacija. Šios bangos turėjo palikti kosminės mikrobangų spinduliuotės atspaudus, kurie yra neįkainojamas informacijos apie ankstyvąją kosmosą šaltinis. Kol kas tokių pėdsakų nerasta, bet, greičiausiai, tai bus padaryta per artimiausią dešimtmetį. Be to, fizikai jau galvoja apie tiesioginį relikvinių gravitacinių bangų registravimą naudojant erdvėlaivius, kurie pasirodys po dviejų ar trijų dešimtmečių “.
Dar vienas skirtumas, pasak profesoriaus Steinhardto, yra foninės mikrobangų spinduliuotės pasiskirstymas pagal temperatūrą: „Ši spinduliuotė, sklindanti iš skirtingų dangaus dalių, nėra visiškai vienoda temperatūros, joje yra vis mažiau ir mažiau šildomų zonų. Šiuolaikinės įrangos matavimo tikslumo lygiu karštųjų ir šaltųjų zonų skaičius yra maždaug vienodas, o tai sutampa su abiejų teorijų išvadomis - tiek infliacinėmis, tiek ciklinėmis. Tačiau šios teorijos numato subtilesnius skirtumus tarp zonų. Iš esmės jie galės nustatyti praėjusiais metais paleistą Europos kosmoso observatoriją „Planck“ir kitus naujausius erdvėlaivius. Tikiuosi, kad šių eksperimentų rezultatai padės pasirinkti infliacijos ir ciklo teorijas. Tačiau taip pat gali atsitiktikad situacija išliks neaiški ir nė viena teorija negaus vienareikšmiškos eksperimentinės paramos. Na, tada turėsiu sugalvoti ką nors naujo “.
Pagal infliacinį modelį, netrukus po jo gimimo Visata labai trumpai išsiplėtė, daug kartų padvigubindama savo linijinius matmenis. Mokslininkai mano, kad šio proceso pradžia laiku sutapo su stiprios sąveikos atskyrimu ir įvyko 10-36 sek. Šis išsiplėtimas (lengvąja amerikiečių teorinio fiziko Sidney Colemano ranka jis buvo vadinamas kosmologine infliacija) buvo labai trumpalaikis (iki 10–34 s), tačiau linijinius Visatos matmenis padidino mažiausiai 1030–1050 kartų ir galbūt daug daugiau. Pagal daugumą konkrečių scenarijų infliaciją pradėjo anti-gravitacinis kvantinis skaliarinis laukas, kurio energijos tankis palaipsniui mažėjo ir galiausiai pasiekė minimumą. Kol tai neįvyko, laukas pradėjo greitai svyruoti,generuojančios elementarias daleles. Dėl to iki infliacijos fazės pabaigos Visata buvo užpildyta superkameros plazma, susidedančia iš laisvų kvarkų, gluonų, leptonų ir didelės energijos elektromagnetinės spinduliuotės kvantų.
Radikali alternatyva
Devintajame dešimtmetyje profesorius Steinhardtas reikšmingai prisidėjo kuriant standartinę Didžiojo sprogimo teoriją. Tačiau tai nesutrukdė ieškoti radikalios alternatyvos teorijai, į kurią buvo įdėta tiek daug darbo. Kaip „Popular Mechanics“sakė pats Paulas Steinhardtas, infliacijos hipotezė iš tiesų atskleidžia daugybę kosmologinių paslapčių, tačiau tai nereiškia, kad nėra prasmės ieškoti kitų paaiškinimų: „Iš pradžių man buvo tiesiog įdomu pabandyti suprasti pagrindines mūsų pasaulio savybes, nesikreipiant į infliaciją. Vėliau, gilindamasis į šį klausimą, įsitikinau, kad infliacijos teorija anaiptol nėra tokia tobula, kaip teigia jos šalininkai. Kai tik buvo kuriama infliacinė kosmologija, tikėjomės, kad tai paaiškins perėjimą iš pradinės chaotiškos materijos būsenos į dabartinę sutvarkytą Visatą. Ji tai padarė, bet nuėjo daug toliau.
Vidinė teorijos logika reikalavo pripažinti, kad infliacija nuolat kuria begalę pasaulių. Tai nebūtų didelė problema, jei jų fizinis įrenginys nukopijuotų mūsų pačių, bet tai tiesiog neveikia. Pavyzdžiui, infliacijos hipotezės pagalba buvo galima paaiškinti, kodėl mes gyvename plokščiame Euklido pasaulyje, bet juk daugumos kitų visatų geometrija tikrai nebus tokia pati. Trumpai tariant, mes kūrėme teoriją, skirtą paaiškinti savo pačių pasaulį, ir ji išėjo iš rankų ir sukėlė begalę įvairiausių egzotinių pasaulių. Tokia padėtis man nebetiko. Be to, standartinė teorija negali paaiškinti ankstesnės būsenos, buvusios prieš eksponentinę plėtrą, pobūdžio. Šia prasme ji yra neišsami nei priešinfliacinė kosmologija. Pagaliau,ji negali nieko pasakyti apie tamsiosios energijos prigimtį, kuri 5 milijardus metų varė mūsų visatos plėtrą.