Tytuł tego artykułu może nie brzmieć jak sprytny żart. Zgodnie z ogólnie przyjętą koncepcją kosmologiczną, teorią Wielkiego Wybuchu, nasz Wszechświat powstał ze skrajnego stanu próżni fizycznej, powstałej w wyniku fluktuacji kwantowej. W tym stanie ani czas, ani przestrzeń nie istniały (lub były zaplątane w piance czasoprzestrzennej), a wszystkie podstawowe oddziaływania fizyczne zostały stopione razem. Później rozdzielili się i uzyskali niezależną egzystencję - najpierw grawitacja, potem silne oddziaływanie, a dopiero potem - słabe i elektromagnetyczne.
Wróćmy do nauk ścisłych
Teoria Wielkiego Wybuchu cieszy się zaufaniem absolutnej większości naukowców badających wczesną historię Wszechświata. To naprawdę wiele wyjaśnia i w żaden sposób nie zaprzecza danym eksperymentalnym. Ostatnio ma jednak konkurenta w obliczu nowej, cyklicznej teorii, której fundamenty opracowali dwaj fizycy ekstraklasy - dyrektor Institute of Theoretical Science na Princeton University Paul Steinhardt oraz laureat Medalu Maxwella i prestiżowej międzynarodowej nagrody TED Neil Turok, dyrektor Canadian Institute for Advanced Study in Theoretical Fizyka (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Z pomocą profesora Steinhardta Popular Mechanics próbowali opowiedzieć o teorii cykliczności i przyczynach jej pojawienia się.
Moment poprzedzający zdarzenia, kiedy „najpierw grawitacja, potem oddziaływanie silne, a dopiero potem - słaby i elektromagnetyczny”. Pojawił się zwykle oznaczany jako czas zerowy, t = 0, ale to czysta konwencja, hołd dla formalizmu matematycznego. Zgodnie ze standardową teorią ciągły upływ czasu rozpoczął się dopiero po uniezależnieniu się siły grawitacji. Ten moment jest zwykle przypisywany wartości t = 10–43 s (a dokładniej 5,4 x 10–44 s), co nazywa się czasem Plancka. Współczesne teorie fizyczne po prostu nie są w stanie sensownie działać w krótszych okresach czasu (uważa się, że wymaga to kwantowej teorii grawitacji, która nie została jeszcze stworzona). W kontekście tradycyjnej kosmologii nie ma sensu mówić o tym, co wydarzyło się przed początkowym momentem,ponieważ czas w naszym rozumieniu po prostu wtedy nie istniał.
Pojęcie inflacji jest istotną częścią standardowej teorii kosmologicznej (patrz pasek boczny). Po zakończeniu inflacji grawitacja doszła do siebie, a Wszechświat nadal się rozszerzał, ale w malejącym tempie. Ewolucja ta trwała 9 miliardów lat, po czym weszło do działania kolejne pole antygrawitacyjne o wciąż nieznanej naturze, zwane ciemną energią. Ponownie wprowadził Wszechświat w tryb wykładniczej ekspansji, która, jak się wydaje, powinna trwać w przyszłych czasach. Należy zauważyć, że wnioski te są oparte na odkryciach astrofizycznych dokonanych pod koniec ubiegłego wieku, prawie 20 lat po pojawieniu się kosmologii inflacyjnej.
Inflacyjna interpretacja Wielkiego Wybuchu została po raz pierwszy zaproponowana około 30 lat temu i od tamtej pory była wielokrotnie udoskonalana. Teoria ta pozwoliła rozwiązać kilka fundamentalnych problemów, z którymi wcześniej nie radziła sobie kosmologia. Na przykład wyjaśniła, dlaczego żyjemy we wszechświecie o płaskiej geometrii euklidesowej - zgodnie z klasycznymi równaniami Friedmanna dokładnie to powinno robić z ekspansją wykładniczą. Teoria inflacji wyjaśniła, dlaczego materia kosmiczna jest ziarnista w skali nieprzekraczającej setek milionów lat świetlnych i jest równomiernie rozłożona na duże odległości. Podała również interpretację niepowodzenia jakichkolwiek prób wykrycia monopoli magnetycznych, bardzo masywnych cząstek z pojedynczym biegunem magnetycznym, które uważa się zaurodzili się w obfitości przed rozpoczęciem inflacji (inflacja rozciągnęła przestrzeń kosmiczną tak, że początkowo wysoka gęstość monopoli została zredukowana do prawie zera, a zatem nasze instrumenty nie mogą ich wykryć).
Film promocyjny:
Wkrótce po pojawieniu się modelu inflacyjnego kilku teoretyków zdało sobie sprawę, że jego wewnętrzna logika nie zaprzecza idei trwałych narodzin wielokrotnych coraz większej liczby nowych wszechświatów. Rzeczywiście, fluktuacje kwantowe, takie jak te, które zawdzięczamy istnieniu naszego świata, mogą wystąpić w dowolnej ilości, pod warunkiem, że są odpowiednie warunki. Nie jest wykluczone, że nasz wszechświat opuścił strefę fluktuacji utworzoną w poprzednim świecie. W ten sam sposób można założyć, że kiedyś i gdzieś w naszym własnym Wszechświecie uformuje się fluktuacja, która „zdmuchnie” młody wszechświat zupełnie innego rodzaju, także zdolny do kosmologicznego „prokreacji”. Istnieją wzorce, w których takie dziecięce wszechświaty pojawiają się nieustannie, odgałęziają się od swoich rodziców i znajdują własne miejsce. Co więcej, nie jest wcale konieczne, aby w takich światach ustalane były te same prawa fizyczne. Wszystkie te światy są „zagnieżdżone” w jednym kontinuum czasoprzestrzennym, ale są od siebie tak oddalone, że w żaden sposób nie odczuwają swojej obecności. Ogólnie rzecz biorąc, koncepcja inflacji pozwala - a ponadto zmusza! - wierzyć, że w gigantycznym megakosmosie istnieje wiele izolowanych wszechświatów o różnych układach.
Fizycy teoretyczni uwielbiają wymyślać alternatywy dla nawet najbardziej ogólnie przyjętych teorii. Inflacyjny model Wielkiego Wybuchu ma również konkurentów. Nie otrzymali szerokiego poparcia, ale otrzymali i mają swoich zwolenników. Wśród nich teoria Steinhardta i Turoka nie jest pierwszą, a na pewno nie ostatnią. Jednak dzisiaj została opracowana bardziej szczegółowo niż inne i lepiej wyjaśnia obserwowane właściwości naszego świata. Ma kilka wersji, z których niektóre są oparte na teorii strun kwantowych i przestrzeniach wielowymiarowych, podczas gdy inne opierają się na tradycyjnej kwantowej teorii pola. Pierwsze podejście daje bardziej żywe obrazy procesów kosmologicznych, więc będziemy się nad nim rozwodzić.
Najbardziej zaawansowana wersja teorii strun jest znana jako teoria M. Twierdzi, że świat fizyczny ma 11 wymiarów - dziesięć przestrzennych i jeden czasowy. Pływają w nim przestrzenie o niższych wymiarach, tzw. Brany. Nasz wszechświat to tylko jedna z tych bran o trzech wymiarach przestrzennych. Wypełniony jest różnymi cząstkami kwantowymi (elektronami, kwarkami, fotonami itp.), Które w rzeczywistości są otwartymi wibrującymi strunami o tylko jednym wymiarze przestrzennym - długości. Końce każdej struny są mocno osadzone wewnątrz trójwymiarowej brany i struna nie może jej opuścić. Ale są też zamknięte struny, które mogą migrować poza brany - są to grawitony, kwanty pola grawitacyjnego.
Jak teoria cykliczności wyjaśnia przeszłość i przyszłość Wszechświata? Zacznijmy od obecnej epoki. Pierwsze miejsce należy teraz do ciemnej energii, która powoduje, że nasz wszechświat rozszerza się wykładniczo, okresowo podwajając swój rozmiar. W efekcie gęstość materii i promieniowania nieustannie spada, krzywizna grawitacyjna przestrzeni słabnie, a jej geometria staje się coraz bardziej płaska. W ciągu następnych bilionów lat rozmiar Wszechświata podwoi się około sto razy i zamieni się on w prawie pusty świat, całkowicie pozbawiony materialnych struktur. Obok nas znajduje się inna trójwymiarowa brana, oddzielona od nas niewielką odległością w czwartym wymiarze, i ona również podlega podobnej wykładniczej ekspansji i spłaszczeniu. Przez cały ten czas odległość między branami praktycznie się nie zmienia.
A potem te równoległe brany zaczynają się zbiegać. Są popychane do siebie przez pole siłowe, którego energia zależy od odległości między branami. Teraz gęstość energii takiego pola jest dodatnia, więc przestrzeń obu bran rozszerza się wykładniczo - stąd właśnie to pole zapewnia efekt, który tłumaczy się obecnością ciemnej energii! Jednak ten parametr stopniowo spada i za bilion lat spadnie do zera. Obie brany i tak będą nadal się rozszerzać, ale nie wykładniczo, ale w bardzo wolnym tempie. W konsekwencji w naszym świecie gęstość cząstek i promieniowania pozostanie prawie zerowa, a geometria pozostanie płaska.
Ale koniec starej historii to tylko wstęp do kolejnego cyklu. Brany zbliżają się do siebie i ostatecznie zderzają się. Na tym etapie gęstość energii pola międzygałęziowego spada poniżej zera i zaczyna ono działać jak grawitacja (pamiętaj, że grawitacja ma ujemną energię potencjalną!). Gdy brany są bardzo blisko, pole międzybranowe zaczyna wzmacniać fluktuacje kwantowe w każdym punkcie naszego świata i przekształca je w makroskopowe deformacje geometrii przestrzennej (na przykład na milionową część sekundy przed zderzeniem obliczony rozmiar takich deformacji sięga kilku metrów). Po zderzeniu w tych strefach zostaje uwolniona lwia część energii kinetycznej uwolnionej podczas zderzenia. W efekcie to właśnie tam występuje większość gorącej plazmy o temperaturze około 1023 stopni. To właśnie te regiony stają się lokalnymi węzłami grawitacyjnymi i zamieniają się w embriony przyszłych galaktyk.
Taka kolizja zastępuje Wielki Wybuch kosmologii inflacyjnej. Bardzo ważne jest, aby cała nowo utworzona materia o energii dodatniej pojawiła się z powodu nagromadzonej energii ujemnej pola międzybranżowego, dlatego nie narusza się prawa zachowania energii.
Jak zachowuje się takie pole w tym kluczowym momencie? Przed zderzeniem gęstość jego energii osiąga minimum (i jest ujemna), potem zaczyna rosnąć, a po zderzeniu osiąga zero. Następnie brany odpychają się i zaczynają się rozpraszać. Gęstość energii rozgałęzionej podlega odwrotnej ewolucji - ponownie staje się ujemna, zerowa, dodatnia. Wzbogacona materią i promieniowaniem brana najpierw rozszerza się ze zmniejszającą się prędkością pod wpływem hamującego działania własnej grawitacji, a następnie ponownie przechodzi w ekspansję wykładniczą. Nowy cykl kończy się tak jak poprzedni - i tak dalej w nieskończoność. Cykle poprzedzające nasz miały miejsce również w przeszłości - w tym modelu czas jest ciągły, więc przeszłość istnieje po 13,7 miliardów lat, które minęły od ostatniego wzbogacenia naszej brany w materię i promieniowanie!Czy w ogóle mieli początek, teoria milczy.
Teoria cykliczności wyjaśnia właściwości naszego świata w nowy sposób. Ma płaską geometrię, ponieważ pod koniec każdego cyklu nadmiernie się rozciąga i tylko nieznacznie odkształca się przed rozpoczęciem nowego cyklu. Fluktuacje kwantowe, które stają się prekursorami galaktyk, zachodzą chaotycznie, ale średnio równomiernie - dlatego przestrzeń kosmiczna jest wypełniona skupiskami materii, ale przy bardzo dużych odległościach jest dość jednorodna. Nie możemy wykryć monopoli magnetycznych po prostu dlatego, że maksymalna temperatura nowo narodzonej plazmy nie przekraczała 1023 K, a do pojawienia się takich cząstek potrzebne są znacznie większe energie - rzędu 1027 K.
Teoria cykliczności istnieje w kilku wersjach, podobnie jak teoria inflacji. Jednak według Paula Steinhardta różnice między nimi są czysto techniczne i interesujące tylko dla specjalistów, ogólna koncepcja pozostaje niezmieniona: „Po pierwsze, w naszej teorii nie ma momentu początku świata, nie ma osobliwości. Istnieją okresowe fazy intensywnego tworzenia materii i promieniowania, z których każdy, jeśli jest to pożądane, można nazwać Wielkim Wybuchem. Ale żadna z tych faz nie oznacza pojawienia się nowego wszechświata, a jedynie przejście z jednego cyklu do drugiego. Zarówno przestrzeń, jak i czas istnieją zarówno przed, jak i po którymkolwiek z tych kataklizmów. Dlatego całkiem naturalne jest pytanie, jaki był stan rzeczy 10 miliardów lat przed ostatnim Wielkim Wybuchem, od którego liczona jest historia wszechświata.
Drugą kluczową różnicą jest natura i rola ciemnej energii. Kosmologia inflacyjna nie przewidziała przejścia powolnej ekspansji Wszechświata do przyspieszonej. A kiedy astrofizycy odkryli to zjawisko, obserwując eksplozje odległych supernowych, standardowa kosmologia nie wiedziała nawet, co z tym zrobić. Hipoteza ciemnej energii została wysunięta po to, aby jakoś powiązać paradoksalne wyniki tych obserwacji z teorią. A nasze podejście jest znacznie lepiej przypieczętowane wewnętrzną logiką, ponieważ początkowo mamy ciemną energię i to ona zapewnia przemianę kosmologicznych cykli. Jednak, jak zauważa Paul Steinhardt, teoria cykliczności ma również słabe punkty: „Nie udało nam się jeszcze w przekonujący sposób opisać procesu zderzenia i odbicia równoległych bran, które ma miejsce na początku każdego cyklu. Inne aspekty teorii cykliczności są znacznie lepiej rozwinięte, ale nadal istnieje wiele niejasności do wyjaśnienia”.
Ale nawet najpiękniejsze modele teoretyczne wymagają weryfikacji eksperymentalnej. Czy obserwacje mogą potwierdzić lub obalić cykliczną kosmologię? „Zarówno teorie inflacyjne, jak i cykliczne przewidują istnienie reliktowych fal grawitacyjnych” - wyjaśnia Paul Steinhardt. - W pierwszym przypadku powstają z pierwotnych fluktuacji kwantowych, które podczas inflacji rozmywają się w przestrzeni i generują okresowe oscylacje jej geometrii - a są to, zgodnie z ogólną teorią względności, fale grawitacyjne. W naszym scenariuszu fluktuacje kwantowe są również podstawową przyczyną takich fal - tych samych, które są wzmacniane przez zderzenia bran. Obliczenia wykazały, że każdy mechanizm generuje fale o określonym widmie i polaryzacji. Fale te były niezbędne do pozostawienia śladów na kosmicznym promieniowaniu mikrofalowym, które jest nieocenionym źródłem informacji o wczesnej przestrzeni kosmicznej. Jak dotąd takich śladów nie znaleziono, ale najprawdopodobniej nastąpi to w ciągu następnej dekady. Ponadto fizycy już myślą o bezpośredniej rejestracji reliktowych fal grawitacyjnych za pomocą statku kosmicznego, która pojawi się za dwie do trzech dekad”.
Inną różnicą, zdaniem profesora Steinhardta, jest rozkład temperatury tła promieniowania mikrofalowego: „To promieniowanie dochodzące z różnych części nieba nie jest dość jednorodne pod względem temperatury, ma bardziej i mniej ogrzewane strefy. Na poziomie dokładności pomiaru, jaką zapewnia nowoczesny sprzęt, liczba stref gorących i zimnych jest w przybliżeniu taka sama, co pokrywa się z wnioskami obu teorii - inflacyjnej i cyklicznej. Jednak te teorie przewidują bardziej subtelne różnice między strefami. Zasadniczo będą w stanie zidentyfikować wystrzelone w zeszłym roku europejskie obserwatorium kosmiczne „Planck” oraz inne najnowsze statki kosmiczne. Mam nadzieję, że wyniki tych eksperymentów pomogą dokonać wyboru między teorią inflacyjną a cykliczną. Ale może się to zdarzyć w ten sposób,że sytuacja pozostanie niepewna i żadna z teorii nie uzyska jednoznacznego wsparcia eksperymentalnego. W takim razie będę musiał wymyślić coś nowego”.
Zgodnie z modelem inflacyjnym, Wszechświat wkrótce po narodzinach rozszerzył się wykładniczo przez bardzo krótki czas, wielokrotnie podwajając swoje wymiary liniowe. Naukowcy uważają, że początek tego procesu zbiegł się w czasie z oddzieleniem silnego oddziaływania i nastąpił w czasie 10-36 s. Ta ekspansja (lekką ręką amerykańskiego fizyka teoretycznego Sidneya Colemana, nazywana inflacją kosmologiczną) była niezwykle krótkotrwała (do 10-34 s), ale zwiększyła liniowe wymiary Wszechświata co najmniej 1030-1050 razy, a być może znacznie więcej. Według większości scenariuszy inflację zapoczątkowało antygrawitacyjne kwantowe pole skalarne, którego gęstość energii stopniowo malała i ostatecznie osiągnęła minimum. Zanim to się stało, pole zaczęło gwałtownie oscylować,generowanie cząstek elementarnych. W rezultacie pod koniec fazy inflacyjnej Wszechświat został wypełniony super gorącą plazmą składającą się z wolnych kwarków, gluonów, leptonów i wysokoenergetycznych kwantów promieniowania elektromagnetycznego.
Radykalna alternatywa
W latach 80. profesor Steinhardt wniósł znaczący wkład w rozwój standardowej teorii Wielkiego Wybuchu. Nie powstrzymało go to jednak przed poszukiwaniem radykalnej alternatywy dla teorii, w którą zainwestowano tyle pracy. Jak sam Paul Steinhardt powiedział Popular Mechanics, hipoteza inflacji ujawnia wiele kosmologicznych tajemnic, ale nie oznacza to, że nie ma sensu szukać innych wyjaśnień: „Na początku byłem zainteresowany po prostu próbą zrozumienia podstawowych właściwości naszego świata bez uciekania się do inflacji. Później, gdy zagłębiłem się w tę kwestię, doszedłem do przekonania, że teoria inflacji wcale nie jest tak doskonała, jak twierdzą jej zwolennicy. Kiedy tworzyła się właśnie kosmologia inflacyjna, mieliśmy nadzieję, że wyjaśni ona przejście od początkowego chaotycznego stanu materii do aktualnie uporządkowanego Wszechświata. Zrobiła to - ale poszła znacznie dalej.
Wewnętrzna logika teorii wymagała uznania, że inflacja nieustannie tworzy nieskończoną liczbę światów. Byłoby w porządku, gdyby ich fizyczne urządzenie kopiowało nasze własne, ale to po prostu nie działa. Na przykład za pomocą hipotezy inflacyjnej można było wyjaśnić, dlaczego żyjemy w płaskim świecie euklidesowym, ale w końcu większość innych wszechświatów z pewnością nie będzie miała takiej samej geometrii. Krótko mówiąc, tworzyliśmy teorię wyjaśniającą nasz własny świat, która wymknęła się spod kontroli i stworzyła nieskończoną różnorodność egzotycznych światów. Ten stan rzeczy przestał mi odpowiadać. Co więcej, standardowa teoria nie jest w stanie wyjaśnić natury wcześniejszego stanu, który poprzedzał ekspansję wykładniczą. W tym sensie jest tak niekompletna jak kosmologia przedinflacyjna. Wreszcie,nie jest w stanie nic powiedzieć o naturze ciemnej energii, która od 5 miliardów lat napędza ekspansję naszego wszechświata.