Naslov tega članka morda ne zveni kot pametna šala. V skladu s splošno sprejetim kozmološkim konceptom, teorijo velikega poka, je naše vesolje nastalo iz ekstremnega stanja fizičnega vakuuma, ki ga ustvarja kvantno nihanje. V tem stanju niti čas niti prostor ni obstajal (ali pa sta bila zapletena v vesoljsko-časovno peno) in vse temeljne fizične interakcije so bile zlita. Kasneje so se razšli in pridobili neodvisen obstoj - najprej gravitacija, nato močna interakcija in šele nato - šibka in elektromagnetna.
Vrnimo se k znanstveno utemeljenim
Teoriji velikega poka zaupa absolutna večina znanstvenikov, ki preučujejo zgodnjo zgodovino našega vesolja. Resnično veliko pojasnjuje in nikakor ne nasprotuje eksperimentalnim podatkom. V zadnjem času pa ima konkurenta pred novo, ciklično teorijo, katere temelje sta razvila dva fizika izven razreda - direktor Inštituta za teoretične znanosti na univerzi Princeton Paul Steinhardt in nagrajenec za Maxwellovo medaljo in prestižno mednarodno nagrado TED Neil Turok, direktor Kanadskega inštituta za napredne študije v teoretiki Fizika (Inštitut za teoretično fiziko Perimeter). Popularna mehanika je s pomočjo profesorja Steinhardta poskušala spregovoriti o ciklični teoriji in razlogih za njen pojav.
Trenutek pred dogodki, ko "najprej gravitacija, nato močna interakcija in šele nato - šibka in elektromagnetna." Po standardni teoriji se je neprekinjen pretok časa začel šele po osamosvojitvi sile teže. Ta trenutek običajno pripišemo vrednosti t = 10-43 s (natančneje 5,4x10-44 s), ki se imenuje Planckov čas. Sodobne fizikalne teorije preprosto ne morejo smiselno delati s krajšimi časovnimi obdobji (domneva se, da je za to potrebna kvantna teorija gravitacije, ki še ni bila ustvarjena). V kontekstu tradicionalne kozmologije ni smiselno govoriti o tem, kaj se je zgodilo pred začetnim trenutkom,ker časa v našem razumevanju takrat preprosto še ni bilo.
Koncept inflacije je bistveni del standardne kozmološke teorije (glej stransko vrstico). Po koncu inflacije je gravitacija prišla na svoje in vesolje se je še naprej širilo, vendar s padajočo hitrostjo. Ta evolucija se je raztezala na 9 milijard let, nato pa je začelo delovati še eno antigravitacijsko polje še vedno neznane narave, ki se imenuje temna energija. Vesolje je spet pripeljalo v način eksponentne ekspanzije, ki bi se, kot kaže, moralo nadaljevati tudi v prihodnjih časih. Treba je opozoriti, da ti sklepi temeljijo na astrofizičnih odkritjih, ki so bila opravljena konec prejšnjega stoletja, skoraj 20 let po pojavu inflacijske kozmologije.
Inflacijska interpretacija Velikega poka je bila prvič predlagana pred približno 30 leti in je bila od takrat velikokrat izpopolnjena. Ta teorija je rešila več temeljnih problemov, s katerimi se prejšnja kozmologija ni mogla spoprijeti. Pojasnila je na primer, zakaj živimo v vesolju z ravno evklidsko geometrijo - po klasičnih Friedmannovih enačbah bi bilo treba to storiti z eksponentno širitvijo. Inflacijska teorija je pojasnila, zakaj ima kozmična snov zrnatost v obsegu, ki ne presega sto milijonov svetlobnih let, in je enakomerno porazdeljena na velike razdalje. Interpretirala je tudi neuspeh poskusov zaznavanja magnetnih monopolov, zelo masivnih delcev z enim samim magnetnim polom, za katere se domneva, da soso se rodili v izobilju pred nastopom inflacije (inflacija je prostor tako raztegnila, da se je prvotno velika gostota monopolov zmanjšala na skoraj nič, zato jih naši instrumenti ne morejo zaznati).
Promocijski video:
Kmalu po pojavu inflacijskega modela je več teoretikov spoznalo, da njegova notranja logika ni v nasprotju z mislijo o trajnem večkratnem rojstvu vedno več novih vesolj. Dejansko se lahko kvantna nihanja, kot so tista, ki jim dolgujemo svoj svet, pojavijo v vseh količinah, če so pogoji ustrezni. Ni izključeno, da je naše vesolje zapustilo območje nihanja, oblikovano v svetu predhodnikov. Na enak način lahko domnevamo, da bo nekoč in nekje v našem vesolju nastalo nihanje, ki bo "odpihnilo" mlado vesolje povsem drugačne vrste, ki je prav tako sposobno kozmološkega "razmnoževanja". Obstajajo vzorci, v katerih se takšna otroška vesolja neprestano pojavljajo, odcepijo od staršev in najdejo svoje mesto. Poleg tega sploh ni nujno, da se v takih svetih vzpostavljajo enaki fizični zakoni. Vsi ti svetovi so "ugnezdeni" v en sam prostor-časovni kontinuum, vendar so tako razmaknjeni, da nikakor ne čutijo prisotnosti drug drugega. Koncept inflacije na splošno omogoča - poleg tega pa prisili! - verjeti, da je v velikanskem megakosmosu veliko osamljenih vesolj z različnimi ureditvami.
Teoretični fiziki radi najdejo alternative celo najbolj splošno sprejetim teorijam. Tudi inflacijski model velikega poka ima tekmece. Niso prejeli široke podpore, so pa imeli in imajo svoje sledilce. Teorija Steinhardta in Turoka med njimi ni prva in zagotovo ne zadnja. Danes pa je bil razvit bolj podrobno kot drugi in bolje pojasnjuje opažene lastnosti našega sveta. Ima več različic, od katerih nekatere temeljijo na kvantni teoriji nizov in večdimenzionalnih prostorih, druge pa se opirajo na tradicionalno kvantno teorijo polja. Prvi pristop daje bolj žive slike kozmoloških procesov, zato se bomo na njem tudi zadržali.
Najnaprednejša različica teorije strun je znana kot M-teorija. Trdi, da ima fizični svet 11 dimenzij - deset prostorskih in eno časovno. Vanj plavajo prostori nižjih dimenzij, tako imenovane brane. Naše vesolje je le ena od teh brane s tremi prostorskimi dimenzijami. Napolnjena je z različnimi kvantnimi delci (elektroni, kvarki, fotoni itd.), Ki so v resnici odprte vibrirajoče strune z eno samo prostorsko dimenzijo - dolžino. Konci vsake strune so trdno pritrjeni v tridimenzionalni brani in vrvica ne more zapustiti brane. Obstajajo pa tudi zaprte strune, ki se lahko selijo zunaj brane - to so gravitoni, kvante gravitacijskega polja.
Kako ciklična teorija razlaga preteklost in prihodnost vesolja? Začnimo s trenutno dobo. Prvo mesto zdaj pripada temni energiji, zaradi katere se naše vesolje eksponentno širi in se občasno podvoji. Posledično se gostota snovi in sevanja nenehno zmanjšuje, gravitacijska ukrivljenost prostora oslabi in njegova geometrija postaja vse bolj ravna. V naslednjih bilijonih letih se bo velikost vesolja podvojila približno stokrat in spremenila se bo v skoraj prazen svet, popolnoma brez materialnih struktur. Zraven nas je še ena tridimenzionalna brana, ki nas v četrti dimenziji loči nepomembna razdalja in je tudi ona podobno eksponentno razširjena in sploščena. Ves ta čas se razdalja med brane praktično ne spreminja.
In potem se te vzporedne brane začnejo približevati. K sili jih potiska silovno polje, katerega energija je odvisna od razdalje med branami. Zdaj je gostota energije takšnega polja pozitivna, zato se prostor obeh brane eksponentno širi - torej to polje zagotavlja učinek, ki ga razložimo s prisotnostjo temne energije! Vendar se ta parameter postopoma zmanjšuje in bo čez bilijon let padel na nič. Obe brani se bosta tako ali tako še naprej širili, vendar ne eksponentno, ampak zelo počasi. Posledično bo v našem svetu gostota delcev in sevanja ostala skoraj nič, geometrija pa bo ostala ravna.
Toda konec stare zgodbe je le uvod v naslednji cikel. Brane se premikajo druga proti drugi in sčasoma trčijo. V tej fazi se gostota energije medpanožnega polja spusti pod ničlo in začne delovati kot gravitacija (naj vas spomnim, da je potencialna gravitacijska energija negativna!). Ko so brane zelo blizu, medbransko polje začne ojačevati kvantna nihanja na vsaki točki našega sveta in jih pretvarja v makroskopske deformacije prostorske geometrije (na primer v milijoninki sekunde pred trkom izračunana velikost takšnih deformacij doseže več metrov). Po trku se v teh conah sprosti levji delež kinetične energije, ki se sprosti med udarcem. Kot rezultat se tam pojavi največ vroče plazme s temperaturo približno 1023 stopinj. Te regije postanejo lokalna gravitacijska vozlišča in se spremenijo v zarodke prihodnjih galaksij.
Tak trk nadomešča Veliki pok inflacijske kozmologije. Zelo pomembno je, da se vsa novonastala snov s pozitivno energijo pojavi zaradi nakopičene negativne energije medpanožnega polja, zato zakon o ohranjanju energije ni kršen.
Kako se vede takšno polje v tem ključnem trenutku? Pred trkom gostota njegove energije doseže minimum (in negativen), nato začne naraščati in ob trku postane nič. Brane se nato odbijajo in začnejo razprševati. Gostota medrazvejene energije doživlja obratni razvoj - spet postane negativna, nič, pozitivna. Brane, obogatene s snovjo in sevanjem, se pod zavornim učinkom lastne gravitacije najprej širijo z naraščajočo hitrostjo, nato pa spet preidejo na eksponentno širitev. Nov cikel se konča kot prejšnji - in tako naprej neskončno. Cikli pred našim so se dogajali tudi v preteklosti - v tem modelu je čas neprekinjen, zato preteklost obstaja že več kot 13,7 milijarde let, ki so minila od zadnje obogatitve naše brane s snovjo in sevanjem!Ali so sploh imeli začetek, teorija molči.
Ciklična teorija na nov način razlaga lastnosti našega sveta. Ima ravno geometrijo, saj se na koncu vsakega cikla pretirano raztegne in se pred začetkom novega cikla le nekoliko deformira. Kvantna nihanja, ki postanejo predhodnice galaksij, nastajajo kaotično, vendar v povprečju enakomerno - torej je vesolje napolnjeno z grudami snovi, vendar je na zelo velikih razdaljah precej homogeno. Magnetnih monopolov ne moremo zaznati zgolj zato, ker najvišja temperatura plazme novorojenčka ni presegla 1023 K in so za pojav takšnih delcev potrebne veliko večje energije - približno 1027 K.
Ciklična teorija obstaja v več različicah, prav tako teorija inflacije. Po mnenju Paula Steinhardta pa so razlike med njimi zgolj tehnične in zanimive samo za strokovnjake, splošni koncept ostaja nespremenjen: »Prvič, v naši teoriji ni trenutka začetka sveta, ni singularnosti. Obstajajo periodične faze intenzivnega ustvarjanja snovi in sevanja, ki jih po želji lahko imenujemo Veliki pok. Toda katera koli od teh faz ne pomeni pojava novega vesolja, temveč le prehod iz enega cikla v drugega. Tako prostor kot čas obstajata pred in po kateri koli od teh kataklizem. Zato je povsem naravno, da se vprašamo, kakšno je bilo stanje 10 milijard let pred zadnjim velikim pokom, od katerega se šteje zgodovina vesolja.
Druga ključna razlika je narava in vloga temne energije. Inflacijska kozmologija ni napovedala prehoda počasnega širjenja vesolja v pospešeno. In ko so astrofiziki odkrili ta pojav z opazovanjem eksplozij oddaljenih supernov, običajna kozmologija sploh ni vedela, kaj naj stori glede tega. Hipoteza o temni energiji je bila postavljena zgolj zato, da bi paradoksalne rezultate teh opazovanj nekako povezali s teorijo. In naš pristop je veliko bolje zapečaten z notranjo logiko, saj imamo na začetku temno energijo in prav ta energija zagotavlja izmenjavo kozmoloških ciklov. " Vendar pa, kot ugotavlja Paul Steinhardt, ima tudi ciklična teorija šibke točke: »Še nismo mogli prepričljivo opisati trčenja in odboja vzporednih brane, ki poteka na začetku vsakega cikla. Drugi vidiki ciklične teorije so veliko bolje razviti, vendar je treba razjasniti še veliko nejasnosti."
Toda tudi najlepši teoretični modeli potrebujejo eksperimentalno preverjanje. Ali lahko ciklično kozmologijo potrdijo ali ovržejo opazovanja? "Tako inflacijske kot ciklične teorije napovedujejo obstoj reliktnih gravitacijskih valov," pojasnjuje Paul Steinhardt. - V prvem primeru nastanejo zaradi primarnih kvantnih nihanj, ki se med napihovanjem razmažejo po vesolju in ustvarijo periodična nihanja njegove geometrije - in to so po splošni teoriji relativnosti gravitacijski valovi. V našem scenariju so tudi kvantna nihanja glavni vzrok takih valov - enakih, ki jih ojačajo trki brane. Izračuni so pokazali, da vsak mehanizem ustvarja valove s posebnim spektrom in specifično polarizacijo. Ti valovi so morali pustiti odtise na kozmičnem mikrovalovnem sevanju, ki je neprecenljiv vir informacij o zgodnjem vesolju. Za zdaj takšnih sledi niso našli, najverjetneje pa bodo to storili v naslednjem desetletju. Poleg tega fiziki že razmišljajo o neposredni registraciji reliktnih gravitacijskih valov z uporabo vesoljskih plovil, ki se bodo pojavila čez dve do tri desetletja."
Druga razlika je po mnenju profesorja Steinhardta v temperaturni porazdelitvi mikrovalovnega sevanja v ozadju: »To sevanje, ki prihaja iz različnih delov neba, ni popolnoma enakomerno po temperaturi, ima vedno manj ogrevanih con. Na ravni natančnosti meritev, ki jo zagotavlja sodobna oprema, je število vročih in hladnih con približno enako, kar sovpada s sklepi obeh teorij - tako inflacijske kot ciklične. Vendar te teorije napovedujejo bolj subtilne razlike med območji. Načeloma bodo lahko prepoznali evropski vesoljski observatorij "Planck", lansiran lani, in druga najnovejša vesoljska plovila. Upam, da bodo rezultati teh poskusov pomagali pri izbiri med inflacijsko in ciklično teorijo. Lahko pa se tudi zgodida bodo razmere ostale negotove in nobena od teorij ne bo dobila nedvoumne eksperimentalne podpore. No, potem bom moral izmisliti nekaj novega."
Po inflacijskem modelu se je vesolje kmalu po rojstvu zelo kratek čas eksponentno širilo in večkrat podvojilo svoje linearne dimenzije. Znanstveniki verjamejo, da je začetek tega procesa časovno sovpadal z ločitvijo močne interakcije in se je zgodil v času 10-36 s. Takšna ekspanzija (z lahkotno roko ameriškega teoretičnega fizika Sidneyja Colemana so jo poimenovali kozmološka inflacija) je bila izredno kratkotrajna (do 10-34 s), vendar je linearne dimenzije vesolja povečala vsaj za 1030-1050-krat in morda še veliko več. Po najbolj specifičnih scenarijih je inflacijo sprožilo antigravitacijsko kvantno skalarno polje, katerega gostota energije se je postopoma zmanjševala in sčasoma dosegla minimum. Preden se je to zgodilo, je polje začelo hitro nihati,ki ustvarjajo elementarne delce. Posledično je bilo vesolje do konca inflacijske faze napolnjeno s super vročo plazmo, sestavljeno iz prostih kvarkov, gluonov, leptonov in visokoenergijskih kvantov elektromagnetnega sevanja.
Radikalna alternativa
V osemdesetih je profesor Steinhardt pomembno prispeval k razvoju standardne teorije velikega poka. Vendar mu to ni preprečilo, da bi iskal radikalno alternativo teoriji, v katero je bilo vloženega toliko dela. Kot je za Popular Mechanics dejal Paul Steinhardt, hipoteza o inflaciji resnično razkriva številne kozmološke skrivnosti, vendar to ne pomeni, da ni smisla iskati drugih razlag: »Sprva me je samo zanimalo, kako poskušati razumeti osnovne lastnosti našega sveta, ne da bi se zatekel k inflaciji. Kasneje, ko sem se poglobil v to problematiko, sem se prepričal, da inflacijska teorija sploh ni tako popolna, kot trdijo njeni zagovorniki. Ko je inflacijska kozmologija šele nastajala, smo upali, da bo razložila prehod iz prvotnega kaotičnega stanja snovi v trenutno urejeno vesolje. Naredila je - vendar je šla veliko dlje.
Notranja logika teorije je zahtevala priznanje, da inflacija nenehno ustvarja neskončno število svetov. To ne bi bilo veliko, če bi njihova fizična naprava kopirala našo, vendar to preprosto ne deluje. Na primer, s pomočjo inflacijske hipoteze je bilo mogoče razložiti, zakaj živimo v ravnem evklidskem svetu, a navsezadnje večina drugih vesolj zagotovo ne bo imela enake geometrije. Skratka, gradili smo teorijo za razlago lastnega sveta, ki je ušel izpod nadzora in ustvaril neskončno vrsto eksotičnih svetov. Takšno stanje mi ni več ustrezalo. Poleg tega standardna teorija ne more pojasniti narave prejšnjega stanja, ki je bilo pred eksponentno širitvijo. V tem smislu je nepopolna kot predinflacijska kozmologija. Končno,ne more reči ničesar o naravi temne energije, ki že pet milijard let poganja širjenje našega vesolja.