Jest coś niesamowicie podobnego w pochodzeniu naszego wszechświata, zwanej kosmiczną inflacją, oraz w przyspieszonej ekspansji ciemnej energii, która ostatecznie zadecyduje o jego losie. Rodzi to podejrzenia, że te zjawiska mogą być ze sobą powiązane. W tym tygodniu Andrew Gillett zadawał swoje pytania: jeśli teoria wiecznej inflacji jest prawdziwa, to czy ciemna energia może być zwiastunem powrotu do tego pierwotnego stanu?
To nie tylko możliwe. Nie wymaga to nawet, aby teoria była poprawna. Rozpocznijmy naszą rozmowę od etapu poprzedzającego narodziny Wszechświata w postaci, w jakiej jest on nam znany - od kosmicznej inflacji.
Kiedy Wszechświat, który znamy, narodził się, pełen materii i promieniowania, miał kilka dość dziwnych właściwości: przestrzennie był płaski, wszędzie miał tę samą temperaturę, nie miał pozostałości superwysokich energii i miał bardzo dziwne wzory w postaci obszarów z nadmiar i zmniejszona gęstość. Możliwe, że Wszechświat narodził się już w tych warunkach. Teoria kosmicznej inflacji jest następująca: gdyby Wszechświat rozpoczął się okresem ekspansji wykładniczej, w której istniała ogromna ilość energii właściwej przestrzeni, a następnie ten okres się skończył, to gorący Wielki Wybuch miałby miejsce już w tych wszystkich warunkach. Zrozumienie konsekwencji zajęło trochę czasu, a jeszcze dłużejaby potwierdzić teorię danymi na temat fluktuacji kosmicznego mikrofalowego tła. Ale teraz kosmiczna inflacja jest uważana za pierwszą i najważniejszą ze wszystkich rzeczy w historii Wszechświata, co możemy potwierdzić dowodami.
Nieustanna inflacja jest konsekwencją inflacji opartej na nieruchomościach, o których rzadko myślimy. Zwykle, gdy w naturze występuje przejście, powiedzmy, garnek wrzącej wody, woda, w której przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy, ten proces przejścia rozpoczyna się w różnych punktach. Te kropki rozszerzają się i łączą, tworząc duże bąbelki, zanim dotrą na powierzchnię. Kiedy mówimy o wodzie, mówimy, że gotuje się. Podczas procesu gotowania małe pęcherzyki unoszą się i łączą w większe bąbelki, zanim wypłyną na powierzchnię. Ale jest problem z inflacją. Obszary, na których inflacja nie kończy się w określonym momencie, nadal rosną wykładniczo, a to nie pozwala na „wrzenie” obszarów, na których się skończyła. Dlatego Wszechświat, który obserwujemy, musi być całkowicie w jednej bańce,gdzie inflacja się skończyła, a nie w licznych bąbelkach, które gotują się razem.
Ale na drugim końcu tego spektrum widzimy fakt, że ekspansja naszego wszechświata najwyraźniej przyspiesza. Najlepszym wytłumaczeniem tego, opartym na naszych najdokładniejszych pomiarach, jest to, że istnieje mały składnik energii związany z przestrzenią, który nazywamy ciemną energią. Ten składnik energetyczny jest wszechobecny i równomiernie obecny we wszystkich punktach przestrzeni. I jest bardzo mały. Jeśli zamienimy go na masę zgodnie ze wzorem Einsteina E = mc2, będzie równy tylko jednemu protonowi na metr sześcienny Wszechświata. Ale przestrzeń jest nie tylko ogromna, ale także się powiększa! Z biegiem czasu ta ciemna energia staje się coraz ważniejsza. Z czasem, po około ośmiu miliardach lat, przyspiesza ekspansję wszechświata, a następnie staje się dominującym składnikiem energii we wszechświecie.
Te dwa okresy inflacji i przyspieszonej ekspansji na późniejszym etapie mogą wydawać się bardzo różne. Różnica w tych skalach energii jest po prostu kolosalna, wynosi 10 do 120 potęgi! Ale oba okresy reprezentują energię właściwą w przestrzeni, oba powodują wykładnicze rozszerzanie się materii wszechświata. A w obecności czasu (ułamki sekund w przypadku inflacji i trylion lat w przypadku ciemnej materii) wezmą wszystko, co nie jest połączone w jedną strukturę we Wszechświecie i rozłożą na części. Istnieje wiele takich modeli, a u ich podstaw wszystkie łączą inflację i ciemną energię.
Jakie są więc szanse, że wszechświat zacznie ponownie formować się? Są duże
Film promocyjny:
1. Jeśli ciemna energia jest rzeczywiście stałą kosmologiczną, może to być energia resztkowa z okresu inflacji, w którym wszystko się zaczęło. Jeśli tak, to są powody, by powiedzieć, że w obecnym czasie może osłabić się jeszcze bardziej, przechodząc w nowy, znacznie niższy stan energetyczny. Być może takie przejście da impuls do pojawienia się dużej liczby cząstek o wyjątkowo małej masie, takich jak neutrina, aksjony, lub do czegoś jeszcze bardziej egzotycznego. Te cząstki z kolei połączą się i stworzą własne analogi gwiazd, planet, a może i ludzkości w wystarczająco długiej skali czasu. Jeśli nie widzimy tego procesu, nie oznacza to wcale, że jest on niemożliwy. Może taki jest los, który czeka nasz Wszechświat w bardzo, bardzo odległej przyszłości, nawet jeśli zajmie to googols latami.
2. Ciemna energia może nie być stałą kosmologiczną, ale z czasem może wzrosnąć. Jeśli tak jest, to będzie rosnąć i rosnąć, co może prowadzić do scenariusza „wielkiego rozdarcia”, w którym z czasem wszystkie połączone struktury we Wszechświecie pękną. Ale w tym scenariuszu, opracowanym przez Erica Gawisera, istnieje możliwość, że w ostatniej chwili, tuż przed tym, jak kosmos rozpadnie się w zapomnienie, nieodłączna energia kosmosu, nieodróżnialna od scenariuszy inflacyjnych, dokona przejścia do Wielkiego Wybuchu! Taki scenariusz „odrodzonego Wszechświata” może się spełnić nie tylko w naszej odległej przyszłości. W nim nasz Wszechświat może być znacznie starszy, niż się wydaje. Możliwe, że jest nieskończenie stary.
Cóż, teraz dowody, które mamy, wskazują, że ciemna energia jest rzeczywiście stałą kosmologiczną. Oznacza to, że scenariusz numer 2 jest wykluczony. Jeśli nie ma niższego stanu energetycznego dla przejścia, wówczas można również wykluczyć opcję nr 1. Ale teraz nie mamy wystarczających danych, aby odrzucić choćby jeden z nich. Gdybym miał okazję obstawiać zakłady, powiedziałbym, że wariant o niższym stanie energii jest bardziej prawdopodobny. Jednak pogląd, że ciemna energia jest naprawdę stała i istnieje wiecznie, jest lepiej potwierdzony przez dostępne dane. Dopóki nie będziemy mieć pewności, lepiej nie wykluczajmy żadnych możliwych opcji. Sonda kosmiczna Euclid, szerokokątny podczerwony teleskop do przeglądów WFIRST NASA i wreszcieDuży Synoptyczny Teleskop Badawczy LSST pomoże nam jeszcze dokładniej zmierzyć ciemną energię, a to dostarczy nowych dowodów na poparcie pierwszej lub drugiej teorii. A nowe odkrycia w teoretycznej fizyce wysokich energii mogą nam powiedzieć więcej o pierwszej koncepcji. Tak czy inaczej, Andrew, odpowiedź na twoje pytanie jest taka: ciemna energia może zwiastować powrót do gorącego Wielkiego Wybuchu ze stanu inflacyjnego, ale nie zależy od wiecznej natury inflacji.ale nie zależy od wiecznej natury inflacji.ale nie zależy od wiecznej natury inflacji.
Ethan Siegel