Próbując zrozumieć, jaka jest natura Wszechświata, jak powstał i co go czeka w przyszłości, naukowcy czasami konstruują nietypowe hipotezy i modele, takie jak na przykład teoria Wielkiego Odbicia.
Czy wszechświat zaczął się od eksplozji, od odbicia, czy od czegoś innego? Kwestia naszego pochodzenia jest jednym z najbardziej drażliwych problemów w fizyce, z zaledwie kilkoma odpowiedziami i wieloma spekulacjami. Najpopularniejszą i powszechnie akceptowaną obecnie teorią jest kosmiczna inflacja, zgodnie z którą w ciągu kilku pierwszych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu cała czasoprzestrzeń przeszła przez okres niewiarygodnie szybkiej ekspansji. Istnieją jednak inne konkurencyjne pomysły. Przykładowo, zgodnie z cyklicznym modelem Wszechświata, nasza czasoprzestrzeń została poprzedzona inną, która przetrwała okres Wielkiego Ucisku, a następnie ponownie wybuchła - możemy to obserwować dzisiaj. Ponadto istnieje teoria Big Bounce, która wynika z cyklicznego wzorca.
Model inflacyjny ma wielu fanów, ponieważ postulowana przez niego szybka ekspansja wyjaśnia wiele właściwości wszechświata, takich jak dlaczego wydaje się on stosunkowo płaski (a nie zakrzywiony, gdy mówimy o dużych skalach) i jednolity we wszystkich kierunkach (wszędzie w przestrzeni, we wszystkich) kierunki materii są w przybliżeniu takie same). Oba warunki powstają, gdy obszary przestrzeni, które są daleko od siebie, były początkowo położone bardzo blisko siebie. Jednak najnowsze wersje teorii wydają się sugerować - a nawet żądać - że inflacja stworzyła nie tylko nasz wszechświat, ale niekończący się krajobraz wszechświatów, na którym powstały wszystkie możliwe typy wszechświatów ze wszystkimi zestawami praw i właściwości fizycznych. Niektórzy naukowcy lubią to założenie,ponieważ może wyjaśnić istnienie naszego Wszechświata pozornie przypadkowymi, ale idealnie dostrojonymi warunkami istnienia życia. Jeśli na takim krajobrazie istnieją wszystkie możliwe do wyobrażenia i niewyobrażalne rodzaje przestrzeni, to nie jest zaskakujące, że nasza jest wśród nich. Jednocześnie inni fizycy uważają, że idea multiwersu jest odpychająca, po części dlatego, że jeśli teoria przewiduje wystąpienie wszystkich możliwych zdarzeń, to nie będzie w stanie jednoznacznie przewidzieć naszego wszechświata.jeśli teoria przewiduje wystąpienie wszystkich możliwych wydarzeń, nie będzie w stanie jednoznacznie przewidzieć naszego wszechświata.jeśli teoria przewiduje wystąpienie wszystkich możliwych zdarzeń, nie będzie jednoznacznie przewidywać naszego wszechświata.
Teorie dużego odbicia przewidują również płaską i równomiernie wypełnioną przestrzeń ze względu na efekt wygładzania, który może wystąpić, gdy się kurczy. Jednak za przeszkodę dla idei odbicia od dawna uważano przejście od kurczenia się do ekspansji, co wymaga znienawidzonej idei „osobliwości” - czasu, gdy Wszechświat był punktem o nieskończonej gęstości - co wielu uważa za matematycznie pozbawione znaczenia założenie, wskazujące na to, że pociąg teorii wysiadł szyny. Niedawno fizycy zaczęli twierdzić, że znaleźli równania odbicia, które nie zawierają osobliwości. W 2016 roku Neil Turok i Steffen Giehlen opublikowali swoje obliczenia w Physical Review Letters. Następnie Turok skomentował tę pracę następująco:
„Okazało się, że możemy dokładnie opisać ewolucję kwantową Wszechświata i stwierdziliśmy, że wszechświat płynnie przechodzi przez osobliwość na drugą stronę. Liczyliśmy na to, ale wcześniej nie uzyskaliśmy takich wyników”.
Big Bounce Animation / Quanta Magazine.
Wielu uważa więc rok 2016 za narodziny Wielkiego Odrodzenia, chociaż sama koncepcja sięga prac takich naukowców, jak w szczególności Willem de Sitter i Georgy Gamow. Przełom w rozwoju teorii wynikał z dwóch technik zastosowanych przez Turoka i Ghilena. Pierwszym było wykorzystanie wciąż niekompletnej teorii kosmologii kwantowej - mieszaniny mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności - zamiast opisywania wszechświata klasyczną ogólną teorią. Druga technika sugerowała, że kiedy przestrzeń była bardzo młoda, materia zachowywała się jak światło - w tym sensie, że opisujące ją prawa fizyki były niezależne od skali. Na przykład światło zachowuje się tak samo niezależnie od długości fali. Jednak fizyka materii zwykle różni się w zależności od danej skali. Według nowoczesnych modeliPrzez około 50 tysięcy lat Wszechświat był wypełniony promieniowaniem, a zwykłej materii obserwuje się dziś wszędzie w kosmosie. Najnowsze modele Wielkiego Odbicia Wszechświata wskazują, że we wczesnych stadiach był on bezskalowy.
Turok i Ghilen odkryli, że kurczący się wszechświat w takich warunkach nigdy nie wejdzie w stan faktycznej osobliwości. W rzeczywistości „tuneluje” przez ten punkt, „przeskakując” ze stanu przed nim do stanu po nim. Chociaż na początku może się to wydawać sztuczką, jest to sprawdzone zjawisko w mechanice kwantowej (tunelowanie kwantowe). Ponieważ cząstki nie istnieją w stanach absolutnych, ale są raczej chmurami prawdopodobieństwa, istnieje mała, ale realna możliwość, że „tunelują” przez przeszkody fizyczne, aby dostać się do niedostępnych miejsc. To jak chodzenie po ścianach, tylko na mikroskopijnym poziomie. Turk zauważa, że niedokładności w przestrzeni, czasie i materii wskazują, że nie można dokładnie określić, gdzie w danym momencie znajduje się wszechświat,co pozwala mu przejść przez osobliwość.
Film promocyjny:
Jednak w 2016 roku Paul Steinhardt i Anna Ijas pracowali nad innym sposobem matematycznego wykazania możliwości odbicia. Wprowadzili do modelu wszechświata specjalny rodzaj pola, w którym kompresja może przejść do ekspansji, zanim przestrzeń stanie się wystarczająco mała, aby przejść w stan osobliwości. W swoich badaniach wykorzystali klasyczną teorię ogólnej teorii względności. Innymi słowy, w tej pracy wykazali, że odbicie jest możliwe nie tylko z punktu widzenia mechaniki kwantowej, ale także z punktu widzenia teorii względności.
Podobnie jak inne hipotezy dotyczące pochodzenia i ewolucji wszechświata, teoria Wielkiego Odbicia próbuje ujawnić, dlaczego wszechświat jest dokładnie taki, jaki obserwujemy. Modele zbudowane przez fizyków przedstawiają tylko wyidealizowane, absolutnie gładkie wszechświaty, w których nie ma małych fluktuacji gęstości prowadzących do powstania gwiazd, galaktyk i przestrzeni rzeczywistej. Dlatego naukowcy nie opracowali jeszcze modeli Big Bounce do bardziej złożonych systemów.
Jeśli Wszechświat już raz „odbił się”, pojawia się logiczne pytanie: czy to się powtórzy? Tak czy inaczej, nie wszystkie teorie odbicia zakładają, że cykl skurczów i ekspansji będzie nieskończony, jak twierdzi cykliczny model wszechświata. Na przykład, nawet jeśli nasz Wszechświat przeszedł przez takie odbicie, nie ma jeszcze wskazówki, że przechodzi do następnej kompresji. Co więcej, obserwacje pokazują, że ciemna energia coraz bardziej rozciąga przestrzeń, przenosząc galaktyki, które nie są ze sobą związane grawitacyjnie, coraz dalej od siebie. Nauka nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, co nas czeka w przyszłości. Jest to jednak bezpośrednio związane z tym, jak to wszystko się zaczęło.
Vladimir Guillen