Vesolje je imelo začetek. Kje pa se je začelo? Kaj ste postali na začetku? Vemo, da se je vse začelo s precej hitro širitvijo in končalo z velikim številom galaksij iz majhnih delcev. Kaj pa je bilo pred tem? Kakšni so bili zakoni fizike, ko se je vse začelo? Znana fizika James Hartl in Stephen Hawking sta pred nekaj desetletji ponudila več odgovorov na ta vprašanja. Novo delo druge skupine fizikov je analiziralo priljubljeno interpretacijo Hawkinga in Hartla o geometriji Velikega poka in naletelo na nekaj težav. Ti rezultati osvetljujejo problem začetka vesolja. Nova ovira, ki jo bodo morale premagati vse teorije prihodnosti.
"Poskusili smo strožji izračun in prišli do drugačne rešitve," pravi Job Feldbrügge, rezidenčni podiplomski študent na Perimeter Institute. "Teorija, ki jo uporabljamo, osvetljuje obstoječo teorijo in kaže, da morda ne bo delovala, kot smo pričakovali."
Znanstveniki običajno skušajo razumeti začetek vesolja, tako da pogledajo Einsteinove zakone gravitacije, imenovane splošna relativnost, in jih predvajajo nazaj. Navsezadnje želijo priti do točke, ko je bilo vesolje zelo majhno. Toda najbolj zanimiva vprašanja se porajajo glede tega, kako je izgledalo mlado vesolje, ali je bilo dovolj majhno, da je spoštovalo zakone kvantne mehanike, ki ureja najmanjše delce, atome in fotone.
Obstaja več načinov, kako ustanoviti vesolje, kot je naše. Mogoče sta, mislila sta Hawking in Hartle, to zgoščeno vesolje le ena točka v vesolju s posebnim kvantnim stanjem, tako imenovano valovno funkcijo, ki vse opisuje v jeziku kvantne mehanike. Potem je napočil čas. O tej temi se je treba veliko pogovarjati o filozofiji in religiji, matematiki pa potrebujejo samo pisalo in papir. Točkovno vesolje se je razvilo iz matematike splošne relativnosti z izvirnimi lastnostmi kvantne mehanike, vgrajene v njegovo strukturo. Tako bi se ta majhna naključna nihanja energije v vesolju med hitrim širjenjem - inflacijo - morala spremeniti v velike razlike v gostoti, ki jih v galaksijah in prazninah opažamo v sodobnem vesolju. Teorija Hawkinga in Hartla je bila eden izmed več načinov, kako označiti začetek vesolja brez singularnosti, točke ničelne prostornine in neskončne mase, ki ni imela veliko smisla. Druge ideje, na primer tiste, ki jih je predlagal Aleksander Vilenkin, niso pomenile te začetne posebnosti.
Nov članek, ki se je pred kratkim pojavil na strežniku za pretiske arXiv, predstavlja težavo. Pri izračunih v matematiki Hawkinga, Hartlesa in Vilenkina nova ekipa ni dobila majhnih kvantnih nihanj, potrebnih za ustvarjanje današnjega vesolja. Namesto tega so ta nihanja velikanska in ustvarjajo vesolje, popolnoma drugačno od našega.
"Izračuni, ki smo jih naredili, vodijo do močnih gravitacijskih valov po velikem poku," pravi Feldbrugge - velika nihanja v obliki samega prostora-časa. »V vesolje, kakršno je danes, ne bi moglo voditi. Izračuni so v nasprotju s tem, kar vidimo."
Hartl ni posebej zaskrbljen zaradi rezultatov ekipe Feldbrugge. "V kozmologiji imamo še vedno premalo podatkov v primerjavi s tem, kar bi lahko bilo," pravi. "Zato se po svojih najboljših močeh zavzemamo za teoretični del, ki najbolj ustreza našim opažanjem." Novo delo vidi kot še en poskus, da igro spremeni, tako da ponuja več informacij in drugačno matematično pot, po kateri lahko sledijo znanstveniki. "Raziskovalci imajo pravico, da se odločijo, ali bodo sledili tej ali drugi ideji."
Njegova ekipa je pred kratkim objavila še en članek, v katerem je revidiral svojo lastno matematiko in dokazal, zakaj njegova teorija še vedno deluje.
Promocijski video:
Kljub temu pa matematika Feldbruggeja in njegove ekipe kaže, da gladek videz vesolja brez posebnosti ni "možnost". Njihova matematika neposredno izpodbija Hartla in Hawkinga.
Povezava kvantne mehanike in splošne relativnosti za razlago začetka vesolja ni niti nova niti skoraj rešena. Pravzaprav je to eden glavnih problemov, ki ga skušajo rešiti teoretični fiziki, glede na njegov pomen za razumevanje izvora vesolja, ko se oba sklopa zakonov uporabljata v isti meri, in pomen za črne luknje, v katerih je gravitacija tako močna, da je svetloba je ne more zapustiti.
A kar je najpomembneje, Feldbrugge ne verjame, da bi vesolje, ki se začne z zakoni kvantne mehanike in relativnosti, lahko ustvarilo majhna nihanja, ki bi vodila v vesolje, kakršno je naše - meni, da mora obstajati nekaj drugega. "Ni jasno, katera rešitev bo končna možnost," pravi.
Mnenja fizikov o tej problematiki so zelo različna. Paul Steinhardt, profesor fizike na univerzi Princeton, pravi, da že obstajajo alternativni načini, kako se izogniti težavam na novem delovnem mestu, pa tudi drugim pritožbam glede modela Hawking-Hartle. Ta tako imenovani brezmejni model zahteva nekaj matematičnih rešitev, da bi ustvaril vesolje, kakršno je naše.
»Kakšna je alternativa? Odboj brez singularnosti, «pravi, ko se sklicuje na model, ki ga razvija s kozmologinjo s Princetona Anno Idjas. Po tem modelu vesolje propade in se nato razširi v naše lastno vesolje, že dolgo preden lahko začnemo razmišljati o učinkih kvantne mehanike.
Sabine Hossenfelder, raziskovalka na Frankfurtskem inštitutu za napredne študije, ni prepričana v nove rezultate. »Edino, kar lahko zaključim, je, da nismo vedeli, kako se je začelo vesolje, preden je bilo to delo napisano. In tega po objavi tega dela nismo vedeli. Teoretiki matematiko jemljejo resno in te izračune izvajajo s časom in vesoljem že dolgo, preden bi jih teleskopi potrdili. Edini način, da zagotovo veste, kaj se dogaja, je eksperimentiranje.
Danes lahko večino teh teorij potrdimo ali ovržemo z opazovanji najstarejše svetlobe, ki je prišla do nas, kozmičnega mikrovalovnega ozadja. Znanstveniki upajo, da bodo spoznanja iz njihovih teorij pomagala izolirati pomembne podpise iz teh podatkov.
Ali je mogoče preveriti delo Feldbruggeja in njegove ekipe? So šele začeli. Očitno bo dolgo trajalo preverjanje. Znanstveniki morajo na koncu ustvariti vesolje, ki je podobno našemu. Toda podrobnosti tega postopka še niso določene.
ILYA KHEL