Wszechświat miał początek. Ale gdzie to się zaczęło? Czym się stałeś na początku? Wiemy, że wszystko zaczęło się od dość gwałtownej ekspansji, a zakończyło się pojawieniem się dużej liczby galaktyk złożonych z małych cząstek. Ale co było wcześniej? Jakie były prawa fizyki, kiedy wszystko się zaczęło? Kilkadziesiąt lat temu znani fizycy James Hartl i Stephen Hawking udzielili kilku odpowiedzi na te pytania. Nowa praca innej grupy fizyków przeanalizowała popularną interpretację geometrii Wielkiego Wybuchu Hawkinga i Hartle'a i napotkała pewne problemy. Wyniki te rzucają światło na problem początku wszechświata. Nowa przeszkoda, którą wszystkie teorie przyszłości będą musiały pokonać.
„Próbowaliśmy wykonać bardziej rygorystyczne obliczenia i otrzymaliśmy inne rozwiązanie” - mówi Job Feldbrügge, doktorant rezydent w Perimeter Institute. „Teoria, której używamy, rzuca nowe światło na istniejącą teorię i pokazuje, że może ona nie działać zgodnie z naszymi oczekiwaniami”.
Naukowcy zwykle próbują zrozumieć początek wszechświata, patrząc na prawa grawitacji Einsteina, zwane ogólną teorią względności, i odtwarzając je wstecz. W końcu chcą dotrzeć do punktu, w którym wszechświat byłby bardzo mały. Jednak najbardziej interesujące pojawiają się pytania o to, jak wyglądał młody wszechświat, czy był wystarczająco mały, aby przestrzegać praw mechaniki kwantowej, która rządzi najmniejszymi cząstkami, atomami i fotonami.
Istnieje kilka sposobów na rozpoczęcie wszechświata takiego jak nasz. Być może, myśleli Hawking i Hartle, ten skondensowany wszechświat był tylko jednym punktem w przestrzeni ze specjalnym stanem kwantowym, tak zwaną funkcją falową, która opisuje to wszystko w języku mechaniki kwantowej. Nadszedł czas. Filozofia i religia muszą dużo mówić na ten temat, ale matematycy potrzebują tylko długopisu i papieru. Ten punktowy wszechświat wyewoluował z matematyki ogólnej teorii względności z pierwotnymi właściwościami mechaniki kwantowej wbudowanymi w jego strukturę. Tak więc te drobne, przypadkowe fluktuacje energii w przestrzeni kosmicznej powinny w trakcie gwałtownej ekspansji - inflacji - przekształcić się w duże różnice gęstości, które obserwujemy we współczesnym Wszechświecie, z galaktykami i pustkami. Teoria Hawkinga i Hartle'a była jednym z kilku sposobów zaznaczenia początku wszechświata bez osobliwości, punktu o zerowej objętości i nieskończonej masy, który nie miał większego sensu. Inne pomysły, jak te zaproponowane przez Aleksandra Vilenkina, nie zakładały tej początkowej osobliwości.
Nowy artykuł, który niedawno pojawił się na serwerze preprint arXiv, wprowadza problem. Obliczając w matematyce Hawkinga, Hartlesa i Vilenkina, nowy zespół nie uzyskał tak niewielkich fluktuacji kwantowych potrzebnych do stworzenia dzisiejszego wszechświata. Zamiast tego te fluktuacje są gigantyczne i tworzą wszechświat zupełnie inny niż nasz.
„Obliczenia, które przeprowadziliśmy, doprowadziły do powstania silnych fal grawitacyjnych po Wielkim Wybuchu”, mówi Feldbrugge - ogromnych fluktuacji kształtu samej czasoprzestrzeni. „Nie może doprowadzić do takiego wszechświata, jakim jest dzisiaj. Obliczenia zaprzeczają temu, co widzimy”.
Hartl nie jest szczególnie zaniepokojony wynikami zespołu Feldbrugge. „W kosmologii wciąż mamy za mało danych w porównaniu z tym, co mogłoby być” - mówi. „Dlatego robimy wszystko, co w naszej mocy, aby wspierać tę teorię, która najlepiej pasuje do naszych obserwacji”. Postrzega nową pracę jako kolejną próbę odwrócenia gry, oferując więcej informacji i inną matematyczną ścieżkę, którą mogą podążać naukowcy. „Badacze mają prawo wybrać, czy chcą realizować ten czy inny pomysł”.
Jego zespół niedawno opublikował także inny artykuł, w którym dokonał przeglądu jego własnej matematyki i wykazał, dlaczego jego teoria nadal działa.
Film promocyjny:
Jednak matematyka Feldbrugge'a i jego zespołu wydaje się pokazywać, że gładkie pojawienie się wszechświata bez żadnych osobliwości „nie wchodzi w grę”. Ich matematyka bezpośrednio kwestionuje Hartle i Hawkinga.
Powiązanie mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności w celu wyjaśnienia początku wszechświata nie jest ani nowe, ani prawie rozwiązane. W rzeczywistości jest to jeden z głównych problemów, które fizycy teoretyczni próbują rozwiązać, biorąc pod uwagę jego znaczenie dla zrozumienia pochodzenia wszechświata, kiedy oba zestawy praw są stosowane w tej samej skali, oraz znaczenie czarnych dziur, w których grawitacja jest tak silna, że światło nie może jej zostawić.
Ale co najważniejsze, Feldbrugge nie wierzy, że wszechświat, który zaczyna się od praw mechaniki kwantowej i teorii względności, może tworzyć małe fluktuacje, które doprowadziłyby do wszechświata takiego jak nasz - uważa, że musi być coś innego. „Nie jest jasne, które rozwiązanie będzie ostateczną opcją” - mówi.
Opinie fizyków na ten temat są bardzo różne. Paul Steinhardt, profesor fizyki na Uniwersytecie Princeton, mówi, że istnieją już alternatywne sposoby uniknięcia problemów w nowej pracy, a także innych skarg na model Hawkinga-Hartle'a. Ten tak zwany nieograniczony model wymaga pewnych matematycznych obejść, aby stworzyć wszechświat taki jak nasz.
„Jaka jest alternatywa? Odbicie bez osobliwości”- mówi, odnosząc się do modelu, który opracowuje z kosmologiem z Princeton, Anną Idjas. Zgodnie z tym modelem wszechświat zapada się, a następnie rozwija się w nasz własny wszechświat, na długo przed tym, zanim można zacząć myśleć o skutkach mechaniki kwantowej.
Sabine Hossenfelder, pracownik naukowy z Frankfurt Institute for Advanced Study, nie jest pewna nowych wyników. „Jedyne, co mogę stwierdzić, to to, że nie wiedzieliśmy, jak powstał wszechświat, zanim ta praca została napisana. I nie wiedzieliśmy o tym po opublikowaniu tej pracy”. Teoretycy traktują matematykę poważnie i robili te obliczenia z czasem i przestrzenią na długo przed potwierdzeniem ich przez teleskopy. Jedynym sposobem, aby się upewnić, co się dzieje, jest eksperymentowanie.
Obecnie większość z tych teorii można potwierdzić lub obalić obserwacjami najstarszego światła, które do nas dotarło, kosmicznego mikrofalowego tła. Naukowcy mają nadzieję, że wnioski płynące z ich teorii pomogą wyodrębnić ważne sygnatury z tych danych.
Czy można sprawdzić pracę Feldbrugge'a i jego zespołu? Dopiero zaczynają. Oczywiście sprawdzenie zajmie dużo czasu. Naukowcy muszą ostatecznie stworzyć wszechświat podobny do naszego. Ale szczegóły tego procesu nie zostały jeszcze ustalone.
ILYA KHEL