Fizycy teoretyczni i kosmolodzy muszą szukać odpowiedzi na najbardziej fundamentalne pytania: „Dlaczego tu jesteśmy?”, „Kiedy pojawił się Wszechświat?” i „Jak to się stało?” Jednak pomimo oczywistej wagi znalezienia odpowiedzi na te pytania, pojawia się pytanie, które przyćmiewa je wszystkie swoim zainteresowaniem: „Co się stało przed Wielkim Wybuchem?”.
Bądźmy szczerzy: nie możemy odpowiedzieć na to pytanie. Nikt nie może. Ale przecież nikt nie zabrania spekulacji na ten temat i rozważenia kilku ciekawych założeń? Na przykład Sean Carroll z California Institute of Technology zgadza się z tym. W zeszłym miesiącu Carroll uczestniczył w odbywającym się co dwa lata spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, na którym zaproponował kilka scenariuszy „przedwybuchowych”, których „ostatnim akordem” mogłoby być pojawienie się naszego wszechświata. Ponownie, to tylko spekulacje, a nie teoria, więc proszę o tym pamiętać.
„W tamtym czasie, że tak powiem, prawa fizyki, które znamy, jeszcze nie obowiązywały, ponieważ„ wtedy”jeszcze nie istniały” - mówi Carroll.
„Kiedy fizycy mówią, że nie mają pojęcia, co się wtedy wydarzyło, mówią to z całą powagą. Ta część historii znajduje się w absolutnie nieprzeniknionej ciemności”- zgadza się Peter Voight, fizyk teoretyczny z Columbia University.
Jedną z najdziwniejszych właściwości naszego wszechświata jest to, że ma on bardzo niski poziom entropii. Termin ten ma wiele interpretacji, ale w tym przypadku mówimy o stopniu zaburzenia. A w przypadku Wszechświata jest w nim więcej porządku niż nieporządku. Wyobraź sobie bombę wypełnioną piaskiem. Bomba wybucha, a miliardy miliardów ziarenek w niej zawartych rozsypują się w różnych kierunkach - tak naprawdę przed Tobą znajduje się model Wielkiego Wybuchu.
„Ale zamiast oczekiwanego chaotycznego rozproszenia te ziarenka piasku, reprezentujące materię naszego wszechświata, natychmiast zamieniają się w wiele gotowych„ zamków z piasku”, uformowanych w sposób niezrozumiały i bez pomocy z zewnątrz” - mówi Stephen Countryman, absolwent Uniwersytetu Columbia.
Wynikiem Wielkiego Wybuchu mogło (i być może powinno być) pojawienie się wysokiego poziomu entropii masy w postaci nierównomiernie rozłożonej materii. Zamiast tego jednak widzimy połączone ze sobą systemy gwiazd, galaktyki i całe gromady galaktyk. Widzimy porządek.
Ponadto ważne jest, aby zrozumieć, że entropia, czyli nieporządek, może tylko narastać w czasie - ten sam zamek z piasku, wcześniej czy później i bez pomocy z zewnątrz, ponownie rozpada się na wiele ziaren piasku. Co więcej, jak wskazuje Carroll, nasza obserwacja czasu jest bezpośrednio związana z poziomem entropii od początku wszechświata. Jednocześnie samą entropię można traktować jako rodzaj zależnej od czasu własności fizycznej z tylko jednym kierunkiem ruchu - w przyszłość.
Film promocyjny:
Tak więc entropia, zgodnie z prawami fizyki, może tylko wzrastać, ale jej obecny poziom we Wszechświecie jest bardzo niski. Zdaniem Carrolla może to oznaczać tylko jedno: wczesny Wszechświat miał jeszcze niższy poziom, to znaczy Wszechświat powinien był być jeszcze lepiej zorganizowany i uporządkowany. A to z kolei może dać początek idei tego, co faktycznie stało się z naszym Wszechświatem przed Wielkim Wybuchem.
„Jest wielu ludzi, którzy wierzą, że wczesny wszechświat był bardzo prostym, nieciekawym i pozbawionym wyrazu systemem. Jednak gdy tylko połączysz entropię z tym pytaniem, perspektywa natychmiast się zmienia i zdajesz sobie sprawę, że w tym przypadku są rzeczy do wyjaśnienia”- kontynuuje Carroll.
Nawet jeśli odłożymy na bok entropię, będziemy mieć inne, równie ważne aspekty, które należy w jakiś sposób dostosować do naszego obecnego Wszechświata, w którym żyjemy. Co więcej, w niektórych przypadkach niskie poziomy entropii wydają się mniej istotne niż w innych. Dlatego spróbujemy rozważyć trzy najpopularniejsze założenia dotyczące tego, co mogło się stać we Wszechświecie przed Wielkim Wybuchem.
Model wielkiego odbicia
Zgodnie z jedną z hipotez, niski poziom entropii naszego Wszechświata wynika z faktu, że samo jego pojawienie się było wynikiem rozpadu jakiegoś „poprzedniego” Wszechświata. Ta hipoteza mówi, że nasz wszechświat mógł powstać w wyniku gwałtownej kompresji („odbicia”), napędzanej złożonymi efektami grawitacji kwantowej (osobliwości), co z kolei doprowadziło do Wielkiego Wybuchu. To z kolei może wskazywać, że możemy żyć z równym sukcesem zarówno w dowolnym punkcie nieskończonej sekwencji powstających Wszechświatów, jak i odwrotnie, w „pierwszej iteracji” Wszechświata.
Ten hipotetyczny model wyglądu Wszechświata jest czasami nazywany modelem „Big Bounce”. Pierwsza wzmianka o tym terminie brzmi już w latach 60., ale model ten przekształcił się w mniej lub bardziej ukształtowaną hipotezę dopiero w latach 80. - na początku 90.
Wśród mniej znaczących kontrowersyjnych punktów model Big Bounce ma również wyraźne wady. Na przykład idea zapadnięcia się w osobliwość jest sprzeczna z ogólną teorią względności Einsteina - regułami, według których działa grawitacja. Fizycy uważają, że efekt osobliwości może istnieć wewnątrz czarnych dziur, ale prawa fizyczne, które znamy, nie są w stanie dostarczyć nam mechanizmu wyjaśniającego, dlaczego „inny wszechświat”, osiągając osobliwość, powinien dać początek Wielkiemu Wybuchowi.
„W ogólnej teorii względności nie ma nic, co wskazywałoby na„ odbicie”nowego wszechświata w wyniku osobliwości” - mówi Sean Carroll.
Nie jest to jednak jedyny duży kontrowersyjny punkt. Faktem jest, że model Big Bounce implikuje istnienie prostoliniowego przebiegu czasu ze zmniejszającą się entropią, jednak, jak wspomniano powyżej, entropia rośnie tylko w czasie. Innymi słowy, zgodnie ze znanymi nam prawami fizyki, pojawienie się podskakującego wszechświata jest niemożliwe.
Dalszy rozwój modelu doprowadził do pojawienia się hipotezy, że czas we Wszechświecie może być cykliczny. Ale jednocześnie model nadal nie jest w stanie wyjaśnić, w jaki sposób obecna ekspansja Wszechświata zostanie zastąpiona jego kurczeniem. Nie musi to jednak oznaczać, że model Big Bounce jest całkowicie błędny. Możliwe, że nasze obecne teorie na ten temat są po prostu niedoskonałe i nie do końca przemyślane. Przecież prawa fizyki, które teraz mamy, wywodzą się z granicy, według której jesteśmy w stanie obserwować wszechświat.
Model śpiącego wszechświata
„Być może przed Wielkim Wybuchem wszechświat był bardzo zwartą, powoli ewoluującą przestrzenią statyczną” - teoretyzują fizycy, tacy jak Kurt Hinterbichler, Austin Joyce i Justin Khoury.
Ten „przedwybuchowy” wszechświat musiał mieć stan metastabilny, to znaczy być stabilny, dopóki nie pojawił się stan jeszcze bardziej stabilny. Analogicznie, wyobraź sobie klif, na którego krawędzi głaz jest w stanie wibracji. Każdy kontakt z głazem doprowadzi do tego, że wpadnie on w przepaść lub - co jest bliższe naszemu przypadkowi - nastąpi Wielki Wybuch. Według niektórych teorii wszechświat „przedwybuchowy” mógłby istnieć w innej postaci, na przykład w postaci spłaszczonej i bardzo gęstej przestrzeni. W rezultacie ten metastabilny okres dobiegł końca: rozszerzył się dramatycznie i uzyskał kształt i stan tego, co teraz widzimy.
„Model śpiącego wszechświata ma jednak również swoje problemy” - mówi Carroll.
„Zakłada również, że nasz Wszechświat ma niski poziom entropii i nie wyjaśnia, dlaczego tak jest”.
Jednak Hinterbichler, fizyk teoretyczny z Case Western Reserve University, nie postrzega pojawienia się niskiej entropii jako problemu.
„Szukamy tylko wyjaśnienia dynamiki, która miała miejsce przed Wielkim Wybuchem, co wyjaśnia, dlaczego widzimy to, co widzimy teraz. Jak dotąd to jedyna rzecz, która nam pozostała”- mówi Hinterbichler.
Carroll uważa jednak, że istnieje inna teoria wszechświata „przedwybuchowego”, która może wyjaśnić niski poziom entropii istniejący w naszym wszechświecie.
Model multiwersum
Pojawienie się nowych wszechświatów z „wszechświata macierzystego”
Jak mówi Carroll, hipotetyczny model wieloświata unika ograniczającej entropię powściągliwości modelu Big Bounce i dostarcza wyjaśnienia jego niskiego poziomu. Wywodzi się z idei „inflacji” - dobrze przyjętego, ale niekompletnego modelu wszechświata. Termin „inflacja” i pierwsze wyjaśnienie tego modelu zostały zaproponowane w 1981 roku przez fizyka Alana Gutha, obecnie w Massachusetts Institute of Technology. Według tego modelu przestrzeń po Wielkim Wybuchu dramatycznie się powiększyła. Tak dramatycznie, że prędkość tej ekspansji była większa niż prędkość światła. Zgodnie z mechaniką kwantową w przestrzeni nieustannie zachodzą przypadkowe, subtelne fluktuacje energii. W pewnym momencie okresu inflacyjnego szczyty tych wahań osiągnęły swoje maksimum i spowodowały pojawienie się galaktyk,puste przestrzenie i wielkoskalowe struktury o niskiej entropii, które obserwujemy obecnie we Wszechświecie.
Sam model inflacyjny powstał na podstawie obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła - najstarszego typu promieniowania, które pojawiło się zaledwie kilkaset tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Naukowcy uważają, że model inflacyjny doskonale przewiduje jego istnienie.
Jedna z hipotez głosi, że multiwers może być wynikiem inflacji. Założenie mówi, że istnieje jeden bardzo, bardzo duży Wszechświat, który od czasu do czasu daje początek bardziej zwartym wszechświatom. Co więcej, żadna forma komunikacji między tymi wszechświatami nie jest możliwa. Markus Wu z PBS Nova wyjaśnia:
„Na początku lat 80. fizycy doszli do wniosku, że inflacja może mieć naturę nieskończoności, zatrzymując się tylko w niektórych obszarach przestrzeni, tworząc swego rodzaju zamknięte„ kieszenie”. Jednak pomiędzy tymi „kieszeniami” trwa inflacja i płynie szybciej niż prędkość światła. Z kolei odizolowane od siebie „kieszenie” ostatecznie stają się Wszechświatami”.
Caroll jest pod największym wrażeniem tego modelu, chociaż jego własny proponowany model różni się nieco od tego, co opisano powyżej:
„To tylko jedna wersja teorii wieloświatów, ale główna różnica polega na tym, że„ wszechświat macierzysty”może mieć wysoki poziom entropii i rodzić wszechświaty o niskim poziomie entropii” - mówi Carroll.
Zgodnie z tym modelem, przed Wielkim Wybuchem istniał rodzaj dużej, rozszerzającej się przestrzeni, z której narodził się nasz i nieskończona liczba innych wszechświatów. Inne wszechświaty są poza naszą zdolnością do ich wykrycia i mogły powstać zarówno przed, jak i po naszym wszechświecie.
Należy zauważyć, że w tej chwili jest to jeden z najpopularniejszych modeli. Niemniej jednak naukowcy oczywiście postrzegają to inaczej. Niektórzy popierają ten pomysł, inni wręcz przeciwnie, całkowicie się z nim nie zgadzają. Ale jeśli weźmiemy za przykład Petera Voighta z Columbia University, to teoria Multiverse, choć wygląda bardzo atrakcyjnie z popularno-naukowego punktu widzenia, może rozleniwiać fizyków i sprawić, że przestaną szukać odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania, na przykład dlaczego we Wszechświecie występują stałe fizyczne? dokładnie takie, jakie są - odpisując całą zmienność.
„Teoretycy spekulują na temat możliwości istnienia nieskończonej liczby wszechświatów i ostatecznie możemy opracować jasne modele, które mogą wyjaśnić, dlaczego wartości (takie jak podstawowe właściwości obserwowanych przez nas cząstek) mogą się różnić od siebie w każdym indywidualnym wszechświecie” - mówi Voight …
Voight obawia się, że pewnego dnia głównym pytaniem dla nauki w tej dziedzinie będzie rozumowanie na temat „jakie mamy szczęście być w tym losowym wszechświecie, w którym wszystko dzieje się w ten sposób, a nie w inny, pomimo nieskończonej różnorodności możliwości, więc zrezygnujmy z tego przedsięwzięcia z teoriami”.
Co można podsumować? Wielu fizyków zarabia za kłótnie i pisanie książek, w których próbują opisać, w jaki sposób Wielki Wybuch i model wszechświata „przed wybuchem” mogą wyjaśnić to, co widzimy dzisiaj, chociaż sami nie wiedzą i naprawdę nie mogą wiedzieć. dlaczego tak jest. Faktem jest, że chociaż istnieją poważne uproszczenia zarówno w modelach matematycznych, jak i wyjaśnieniach, nie zbliżyliśmy się do poprawnej odpowiedzi i nadal mamy wiele argumentów na ten temat, dopóki nie osiągniemy pożądanego wyniku.
„Ważne jest nie tylko stawianie teorii i hipotez. O wiele ważniejsze jest, aby uświadomić ludziom, że w rzeczywistości sami jeszcze nie rozumiemy, o czym mówimy. Wszystko to tylko na poziomie założeń, ale mam nadzieję, że prędzej czy później uda nam się znaleźć właściwą odpowiedź, która będzie odpowiadać każdemu”- mówi Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK