Trilion godina prije Velikog praska

Sadržaj:

Trilion godina prije Velikog praska
Trilion godina prije Velikog praska
Anonim

Naslov ovog članka možda ne zvuči kao pametna šala. Prema općeprihvaćenom kozmološkom konceptu, teoriji Velikog praska, naš je Univerzum proizašao iz ekstremnog stanja fizičkog vakuuma nastalog kvantnom fluktuacijom. U ovom stanju nije postojalo ni vrijeme ni prostor (ili su bili upleteni u prostor-vremensku pjenu), a sve su se temeljne fizičke interakcije spojile. Kasnije su se razdvojili i stekli neovisno postojanje - prvo gravitacija, zatim snažna interakcija, pa tek onda - slaba i elektromagnetska.

Trenutak koji je prethodio tim promjenama obično se označava kao nulto vrijeme, t = 0, ali ovo je čista konvencija, danak matematičkom formalizmu. Prema standardnoj teoriji, kontinuirani protok vremena počeo je tek nakon što je sila gravitacije postala neovisna. Ovaj trenutak se obično pripisuje vrijednosti t = 10-43 s (tačnije 5, 4x10-44 s), koja se naziva Planckovo vrijeme. Moderne fizičke teorije jednostavno nisu u stanju smisleno raditi s kraćim vremenskim razdobljima (vjeruje se da je za to potrebna kvantna teorija gravitacije, koja još nije stvorena). U kontekstu tradicionalne kosmologije, nema smisla govoriti o onome što se dogodilo prije početnog trenutka vremena, jer vrijeme u našem razumijevanju tada jednostavno nije postojalo.

Image
Image

Teorija Velikog praska vjeruje apsolutnoj većini naučnika koji proučavaju ranu historiju našeg svemira. To zaista mnogo objašnjava i ni na koji način nije u suprotnosti s eksperimentalnim podacima. Nedavno, međutim, ima rivala pred novom, cikličkom teorijom, čije su temelje razvila dva fizičara izvan klase - direktor Instituta za teorijske nauke na Univerzitetu Princeton Paul Steinhardt i dobitnik nagrade Maxwell Medalja i prestižna međunarodna nagrada TED Neil Turok, direktor Kanadskog instituta za napredne studije u oblasti teorijske fizike (Perimetarski institut za teorijsku fiziku). Uz pomoć profesora Steinhardta, Popularna mehanika pokušala je govoriti o cikličkoj teoriji i razlozima njenog pojavljivanja.

Inflatorna kosmologija

Neizostavni dio standardne kosmološke teorije je koncept inflacije (vidi bočnu traku). Nakon prestanka inflacije, gravitacija je došla na svoje, a svemir se nastavio širiti, ali sve manje. Ova evolucija protegla se na 9 milijardi godina, nakon čega je u djelo stupilo još jedno antigravitacijsko polje još uvijek nepoznate prirode, koje se naziva tamna energija. To je ponovo dovelo Univerzum u način eksponencijalne ekspanzije, koja je izgleda sačuvana u budućim vremenima. Valja napomenuti da se ovi zaključci temelje na astrofizičkim otkrićima napravljenim krajem prošlog stoljeća, gotovo 20 godina nakon pojave inflatorne kosmologije.

Inflatorno tumačenje Velikog praska prvi put je predloženo prije otprilike 40 godina i od tada je mnogo puta dorađivano. Ova teorija riješila je nekoliko osnovnih problema s kojima se prethodna kosmologija nije uspjela nositi. Na primjer, objasnila je zašto živimo u univerzumu s ravnom euklidskom geometrijom - prema klasičnim Fridmanovim jednadžbama, to je upravo ono što bi trebalo učiniti s eksponencijalnom ekspanzijom. Inflatorna teorija je objasnila zašto je kosmička materija zrnasta na skali koja ne prelazi stotine miliona svjetlosnih godina i ravnomjerno raspoređena na velike udaljenosti. Ona je također dala tumačenje neuspjeha bilo kakvih pokušaja otkrivanja magnetskih monopola, vrlo masivnih čestica s jednim magnetskim polom, za koje se vjeruje da su se rodile u izobilju prije početka inflacije (inflacija je rastegnula prostor toliko da je u početku velika gustoća monopola sveden je na gotovo nulu, pa ih naši instrumenti ne mogu otkriti).

Image
Image

Ubrzo nakon pojavljivanja inflatornog modela, nekoliko teoretičara shvatilo je da njegova unutrašnja logika nije u suprotnosti s idejom o trajnom višestrukom rođenju sve više novih univerzuma. Zaista, kvantne fluktuacije, poput onih koje dugujemo postojanju našeg svijeta, mogu se pojaviti u bilo kojoj količini ako su za to potrebni uvjeti. Nije isključeno da je naš univerzum napustio zonu fluktuacije formiranu u svijetu prethodniku. Na isti način, može se pretpostaviti da će se negdje i negdje u našem vlastitom svemiru pojaviti fluktuacija koja će "raznijeti" mladi univerzum potpuno druge vrste, također sposoban za kosmološko "rađanje". Postoje obrasci u kojima se takvi dječji svemiri neprestano pojavljuju, odvajaju od roditelja i pronalaze svoje mjesto. Štoviše, uopće nije potrebno da se u takvim svjetovima uspostavljaju isti fizički zakoni. Svi su ti svjetovi "ugniježđeni" u jednom prostorno-vremenskom kontinuumu, ali su toliko udaljeni da ni na koji način ne osjećaju međusobno prisustvo. Općenito, koncept inflacije dopušta - štoviše, tjera! - vjerovati da u ogromnom megakosmosu postoji mnogo izoliranih svemira s različitim rasporedom.

Alternativa

Teoretski fizičari vole izmišljati alternative čak i najopćenitijim teorijama. Inflatorni model Velikog praska takođe ima konkurente. Nisu dobili široku podršku, ali jesu i imali su svoje sljedbenike. Steinhardtova i Turokova teorija nije prva među njima, a zasigurno ni posljednja. Međutim, do danas je razvijen detaljnije od ostalih i bolje objašnjava uočena svojstva našeg svijeta. Ima nekoliko verzija, od kojih se neke temelje na kvantnoj teoriji struna i višedimenzionalnim prostorima, dok se druge oslanjaju na tradicionalnu kvantnu teoriju polja. Prvi pristup daje živopisnije slike kosmoloških procesa, pa ćemo se zadržati na njemu.

Image
Image

Najnaprednija verzija teorije struna poznata je kao M-teorija. Tvrdi da fizički svijet ima 11 dimenzija - deset prostornih i jednu vremensku. U njoj lebde prostori nižih dimenzija, takozvane brane. Naš univerzum je samo jedna takva brana, sa tri prostorne dimenzije. Ispunjen je raznim kvantnim česticama (elektroni, kvarkovi, fotoni itd.), Koje su zapravo otvorene vibrirajuće žice sa samo jednom prostornom dimenzijom - dužinom. Krajevi svake žice čvrsto su pričvršćeni unutar trodimenzionalne brane i žica ne može napustiti branu. Ali postoje i zatvoreni nizovi koji mogu migrirati izvan brana - to su gravitoni, kvanti gravitacijskog polja.

Kako ciklična teorija objašnjava prošlost i budućnost univerzuma? Počnimo sa trenutnom erom. Prvo mjesto sada pripada tamnoj energiji, zbog čega se naš svemir eksponencijalno širi, povremeno udvostručavajući veličinu. Kao rezultat toga, gustoća tvari i zračenja stalno se smanjuje, gravitacijska zakrivljenost prostora slabi, a njegova geometrija postaje sve ravna. U sljedećih trilijun godina veličina svemira će se udvostručiti stotinu puta i pretvorit će se u gotovo prazan svijet, potpuno lišen materijalnih struktura. Pored nas je još jedna trodimenzionalna brana, odvojena od nas beznačajnom udaljenošću u četvrtoj dimenziji, a i ona prolazi kroz slično eksponencijalno širenje i izravnavanje. Sve ovo vrijeme udaljenost između brana ostaje praktično nepromijenjena.

Image
Image

I tada se ove paralelne brane počinju konvergirati. Gura ih jedno prema drugom polje sile, čija energija ovisi o udaljenosti između brana. Sada je gustoća energije takvog polja pozitivna, pa se prostor obje brane eksponencijalno širi - dakle, to polje daje učinak koji se objašnjava prisutnošću tamne energije! Međutim, ovaj se parametar postupno smanjuje i za trilion godina će pasti na nulu. Obje će se brane ionako nastaviti širiti, ali ne eksponencijalno, već vrlo sporim tempom. Zbog toga će u našem svijetu gustoća čestica i zračenja ostati gotovo nula, a geometrija će ostati ravna.

Novi ciklus

No, kraj stare priče samo je uvod u sljedeći ciklus. Brane se kreću jedna prema drugoj i na kraju se sudaraju. U ovoj fazi gustoća energije međugranskog polja pada ispod nule i počinje djelovati poput gravitacije (podsjetit ću vas da je potencijalna energija gravitacije negativna!). Kad su brane vrlo blizu, međubransko polje počinje pojačavati kvantne fluktuacije u svakoj točki našeg svijeta i pretvara ih u makroskopske deformacije prostorne geometrije (na primjer, u milionitom dijelu sekunde prije sudara, izračunata veličina takve deformacije dosežu nekoliko metara). Nakon sudara, upravo se u tim zonama oslobađa lavovski dio kinetičke energije oslobođene prilikom udara. Kao rezultat toga, tamo se javlja najtoplija plazma sa temperaturom od oko 1023 stepeni. Upravo te regije postaju lokalni čvorovi gravitacije i pretvaraju se u embrije budućih galaksija.

Takav sudar zamjenjuje Veliki prasak inflatorne kosmologije. Vrlo je važno da se sva novonastala tvar s pozitivnom energijom pojavi zbog akumulirane negativne energije međugranskog polja, pa se tako ne krši zakon očuvanja energije.

Image
Image

Inflatorna teorija dopušta stvaranje više kćeri univerzuma koji neprestano izviru iz postojećih.

I kako se takvo polje ponaša u ovom odlučujućem trenutku? Prije sudara gustoća njegove energije dostiže minimum (i negativan), zatim počinje rasti, a pri sudaru postaje nula. Brane se tada odbijaju i počinju se razilaziti. Gustoća energije među granama prolazi obrnutu evoluciju - opet postaje negativna, nula, pozitivna. Brana, obogaćena materijom i zračenjem, prvo se širi smanjenom brzinom pod kočnim djelovanjem vlastite gravitacije, a zatim opet prelazi u eksponencijalno širenje. Novi ciklus završava kao i prethodni - i tako beskonačno. Ciklusi koji su prethodili našem odvijali su se u prošlosti - u ovom modelu vrijeme je kontinuirano, pa prošlost postoji nakon 13,7 milijardi godina koje su prošle od posljednjeg obogaćivanja naše koštane mase materijom i zračenjem! Bilo da su uopće imali početak, teorija šuti.

Ciklička teorija na novi način objašnjava svojstva našeg svijeta. Ima ravnu geometriju, jer se do kraja svakog ciklusa pretjerano rasteže i samo malo deformira prije početka novog ciklusa. Kvantne fluktuacije, koje postaju preteče galaksija, nastaju haotično, ali u prosjeku ravnomjerno - stoga je svemir ispunjen gomilama materije, ali je na vrlo velikim udaljenostima prilično homogen. Ne možemo otkriti magnetske monopole jednostavno zato što maksimalna temperatura plazme novorođenčeta nije prelazila 1023 K, a za pojavu takvih čestica potrebna je mnogo veća energija - reda veličine 1027 K.

Image
Image

Ciklično stvaranje

Trenutak Velikog praska je sudar brana. Oslobađa se ogromna količina energije, brane se raspršuju, dolazi do usporavanja širenja, materija i zračenje se hlade i nastaju galaksije. Ekspanzija se opet ubrzava zbog pozitivne međugranske gustoće energije, a zatim se usporava, geometrija postaje ravna. Brane se međusobno privlače, prije sudara se kvantne fluktuacije pojačavaju i pretvaraju u deformacije prostorne geometrije, koje će u budućnosti postati sjeme galaksija. Dolazi do sudara i ciklus počinje ispočetka.

Svijet bez početka i kraja

Ciklična teorija postoji u nekoliko verzija, kao i teorija inflacije. Međutim, prema Paulu Steinhardtu, razlike među njima čisto su tehničke i zanimljive samo stručnjacima, opći koncept ostaje nepromijenjen: „Prvo, u našoj teoriji nema trenutka početka svijeta, nema singularnosti. Postoje periodične faze intenzivnog stvaranja materije i zračenja, od kojih se svaka, po želji, može nazvati Velikim praskom. No bilo koja od ovih faza ne označava nastanak novog svemira, već samo prijelaz iz jednog ciklusa u drugi. I prostor i vrijeme postoje i prije i poslije bilo koje od ovih kataklizmi. Stoga je sasvim prirodno zapitati se kakvo je bilo stanje 10 milijardi godina prije posljednjeg Velikog praska, od kojeg se broji povijest svemira.

Druga ključna razlika je priroda i uloga tamne energije. Inflatorna kosmologija nije predvidjela prijelaz usporavajućeg širenja Univerzuma u ubrzano. A kada su astrofizičari otkrili ovaj fenomen posmatrajući eksplozije udaljenih supernova, standardna kosmologija nije ni znala šta bi sa tim. Hipoteza tamne energije postavljena je jednostavno kako bi se paradoksalni rezultati ovih opažanja nekako povezali s teorijom. I naš pristup je mnogo bolje zapečaćen unutrašnjom logikom, budući da imamo tamnu energiju od samog početka i ta energija osigurava izmjenu kozmoloških ciklusa. " Međutim, kako primjećuje Paul Steinhardt, ciklična teorija ima i slabe tačke: „Još nismo uspjeli uvjerljivo opisati sudar i proces odbijanja paralelnih brana koji se događa na početku svakog ciklusa. Ostali aspekti cikličke teorije su mnogo bolje razvijeni i još uvijek postoje mnoge nejasnoće koje treba razriješiti."

Image
Image

Provera prakse

Ali čak i najljepšim teorijskim modelima potrebna je eksperimentalna provjera. Može li se posmatranjem potvrditi ili opovrgnuti ciklična kosmologija? „I inflatorne i ciklične teorije predviđaju postojanje reliktnih gravitacionih talasa“, objašnjava Paul Steinhardt. - U prvom slučaju, one proizlaze iz primarnih kvantnih fluktuacija, koje se tijekom inflacije razmazuju po prostoru i stvaraju periodične oscilacije njegove geometrije - a to su, prema općoj teoriji relativnosti, gravitacijski valovi. U našem scenariju, kvantne fluktuacije su također osnovni uzrok takvih valova - istih onih koji su pojačani sudarima brana. Proračuni su pokazali da svaki mehanizam stvara valove sa specifičnim spektrom i specifičnom polarizacijom. Ovi valovi morali su ostaviti tragove na kosmičkom mikrotalasnom zračenju, koje je neprocjenjiv izvor informacija o ranom kosmosu. Do sada takvi tragovi nisu pronađeni, ali će se to najvjerojatnije dogoditi u sljedećoj deceniji. Osim toga, fizičari već razmišljaju o izravnoj registraciji reliktnih gravitacijskih valova pomoću svemirskih letjelica, koja će se pojaviti za dvije do tri decenije."

Image
Image

Radikalna alternativa

Osamdesetih godina 20. stoljeća profesor Steinhardt dao je značajan doprinos razvoju standardne teorije Velikog praska. Međutim, to ga nije spriječilo u traženju radikalne alternative teoriji, u koju je uloženo toliko rada. Kao što je sam Paul Steinhardt rekao Popular Mechanics, hipoteza inflacije otkriva mnoge kozmološke misterije, ali to ne znači da nema smisla tražiti druga objašnjenja: „U početku me samo zanimalo pokušaj razumijevanja osnovnih svojstava našeg svijeta bez pribegavanja inflaciji. Kasnije, kada sam zaronio u ova pitanja, uvjerio sam se da inflatorna teorija uopće nije savršena kako tvrde njeni zagovornici. Kad se inflatorna kozmologija tek stvarala, nadali smo se da će to objasniti prijelaz iz izvornog kaotičnog stanja materije u trenutno uređeni Univerzum. Učinila je upravo to - ali otišla je mnogo dalje. Unutrašnja logika teorije zahtijevala je priznanje da inflacija stalno stvara beskonačan broj svjetova. To bi bilo u redu da njihov fizički uređaj kopira naš vlastiti, ali ovo jednostavno ne funkcionira. Na primjer, uz pomoć inflatorne hipoteze bilo je moguće objasniti zašto živimo u ravnom euklidskom svijetu, ali uostalom većina drugih svemira zasigurno neće imati istu geometriju. Ukratko, gradili smo teoriju za objašnjenje vlastitog svijeta, koja se otela kontroli i iznjedrila beskrajnu raznolikost egzotičnih svjetova. Ovo stanje mi više nije odgovaralo. Osim toga, standardna teorija ne može objasniti prirodu ranijeg stanja koje je prethodilo eksponencijalnom širenju. U tom smislu, ona je nepotpuna kao i predinflatorna kosmologija. Konačno, ne može ništa reći o prirodi tamne energije koja je pokretala širenje našeg svemira već 5 milijardi godina.

Druga razlika, prema profesoru Steinhardtu, je temperaturna raspodjela pozadinskog mikrotalasnog zračenja: „Ovo zračenje koje dolazi iz različitih dijelova neba nije ujednačeno po temperaturi, ima sve manje zagrijanih zona. Na razini točnosti mjerenja koju pruža moderna oprema, broj toplih i hladnih zona približno je isti, što se poklapa sa zaključcima obje teorije - inflatorne i ciklične. Međutim, ove teorije predviđaju suptilnije razlike među zonama. U principu, mogu ih otkriti evropska svemirska opservatorija 'Planck' pokrenuta prošle godine i druge najnovije svemirske letjelice. Nadam se da će rezultati ovih eksperimenata pomoći u izboru između inflatorne i ciklične teorije. Ali može se dogoditi i da situacija ostane neizvjesna i nijedna od teorija neće dobiti nedvosmislenu eksperimentalnu podršku. Pa, onda ću morati smisliti nešto novo."

Preporučuje se: