Tämän artikkelin otsikko ei ehkä kuulosta fiksulta vitsiltä. Yleisesti hyväksytyn kosmologisen käsitteen, Big Bang -teorian mukaan maailmankaikkeutemme syntyi kvanttivaihtelun synnyttämän fyysisen tyhjiön äärimmäisestä tilasta. Tässä tilassa aikaa eikä tilaa ei ollut olemassa (tai ne olivat kietoutuneet aika-ajan vaahtoon), ja kaikki fyysiset fyysiset vuorovaikutukset sulautuivat yhteen. Myöhemmin he hajoivat ja hankkivat itsenäisen olemassaolon - ensin painovoiman, sitten vahvan vuorovaikutuksen ja vasta sitten - heikon ja sähkömagneettisen.
Palataan takaisin tieteeseen perustuvaan
Suuren räjähdyksen teoriaan luottaa absoluuttinen enemmistö tiedemiehistä, jotka tutkivat maailmankaikkeuden alkuaikaa. Se selittää todella paljon eikä ole millään tavalla ristiriidassa kokeellisen datan kanssa. Viime aikoina sillä on kuitenkin kilpailija uuden syklisen teorian edessä, jonka perustan ovat kehittäneet kaksi yläluokan fyysikkoa - Princetonin yliopiston teoreettisen tieteen instituutin johtaja Paul Steinhardt ja Maxwell-mitalin ja arvostetun kansainvälisen TED-palkinnon voittaja Neil Turok, Kanadan syventävien tutkimuslaitosten johtaja Fysiikka (Teoreettisen fysiikan tutkimuslaitos). Professori Steinhardtin avulla Popular Mechanics yritti puhua syklisestä teoriasta ja sen esiintymisen syistä.
Tapahtumia edeltävä hetki, jolloin "ensin painovoima, sitten vahva vuorovaikutus ja vasta sitten - heikko ja sähkömagneettinen". Ilmestyi, on tapana nimetä nollaksi aika, t = 0, mutta tämä on puhdasta käytäntöä, kunnianosoitus matemaattiselle formalismille. Tavallisen teorian mukaan jatkuva ajan virtaus alkoi vasta sen jälkeen, kun painovoima itsenäistyi. Tämä hetki johtuu yleensä arvosta t = 10-43 s (tarkemmin sanoen 5,4x10-44 s), jota kutsutaan Planckin ajaksi. Nykyaikaiset fyysiset teoriat eivät yksinkertaisesti kykene työskentelemään mielekkäästi lyhyemmillä ajanjaksoilla (uskotaan, että tämä vaatii kvanttiteorian painovoimasta, jota ei ole vielä luotu). Perinteisen kosmologian yhteydessä ei ole mitään järkeä puhua siitä, mitä tapahtui ennen alkuaikaa,koska aikaa ymmärryksemme mukaan ei yksinkertaisesti ollut silloin.
Inflaation käsite on olennainen osa tavanomaista kosmologista teoriaa (katso sivupalkki). Inflaation päättymisen jälkeen painovoima tuli omaksi, ja maailmankaikkeus jatkoi laajentumistaan, mutta laskevalla nopeudella. Tämä kehitys kesti 9 miljardia vuotta, minkä jälkeen toinen vielä tuntemattoman luonteenvastainen kenttä, jota kutsutaan pimeäksi energiaksi, aloitti toimintansa. Se toi maailmankaikkeuden jälleen eksponentiaalisen laajenemisen muotoon, jonka pitäisi näyttää jatkavan tulevina aikoina. On huomattava, että nämä johtopäätökset perustuvat astrofyysisiin löytöihin, jotka tehtiin viime vuosisadan lopussa, melkein 20 vuotta inflaatiokosmologian ilmestymisen jälkeen.
Suuren räjähdyksen inflaatiotulkintaa ehdotettiin ensimmäisen kerran noin 30 vuotta sitten, ja sitä on sen jälkeen hiottu monta kertaa. Tämä teoria ratkaisi useita perusongelmia, joita edellinen kosmologia ei onnistunut selviämään. Hän esimerkiksi selitti, miksi elämme universumissa, jossa on tasainen euklidinen geometria - klassisten Friedmann-yhtälöiden mukaan juuri tämän pitäisi tehdä eksponentiaalisen laajenemisen kanssa. Inflaatioteoria on selittänyt, miksi kosmisen aineen rakeisuus on mittakaavassa, joka ei ylitä satoja miljoonia valovuosia, ja se jakautuu tasaisesti pitkille matkoille. Hän antoi myös tulkinnan epäonnistumisesta yrittää havaita magneettisia monopoleja, erittäin massiivisia hiukkasia yhdellä magneettisella napalla, joiden uskotaan olevansyntyivät runsaasti ennen inflaation alkamista (inflaatio on venyttänyt ulkoavaruutta niin, että monopolien alun perin suuri tiheys väheni melkein nollaan, joten instrumenttimme eivät pysty havaitsemaan niitä).
Mainosvideo:
Pian sen jälkeen, kun inflaatiomalli ilmestyi, useat teoreetikot tajusivat, että sen sisäinen logiikka ei ollut ristiriidassa ajatuksen yhä useampien uusien maailmankaikkeuksien pysyvästä monisynnytyksestä. Todellakin, kvanttivaihtelut, kuten ne, jotka olemme velkaa maailmallemme olemassaololle, voivat esiintyä missä tahansa määrin, jos olosuhteet ovat oikeat. On mahdollista, että maailmankaikkeutemme on poistunut edeltäjänsä muodostuneesta vaihtelualueesta. Samalla tavalla voidaan olettaa, että joskus ja jonnekin omassa Universumissamme muodostuu vaihtelu, joka "puhaltaa" pois aivan uudenlaisen nuoren maailmankaikkeuden, joka kykenee myös kosmologiseen "lisääntymiseen". On malleja, joissa sellaiset lapsiuniversumit syntyvät jatkuvasti, haarautuvat vanhemmistaan ja löytävät oman paikkansa. Lisäksi ei ole lainkaan välttämätöntä, että samat fyysiset lait perustuvat tällaisiin maailmoihin. Kaikki nämä maailmat ovat "sisäkkäisiä" yhteen avaruus-aika-jatkumoon, mutta ne ovat niin erillään toisistaan, etteivät ne tunne toistensa läsnäoloa millään tavalla. Yleensä inflaation käsite antaa - lisäksi pakottaa! - uskomaan, että jättimäisissä megakosmosissa on monia eristettyjä universumeja, joilla on erilainen järjestely.
Teoreettiset fyysikot rakastavat keksimään vaihtoehtoja jopa yleisimmin hyväksytyille teorioille. Myös Big Bangin inflaatiomallilla on kilpailijoita. He eivät saaneet laajaa tukea, mutta heillä oli omat seuraajansa. Steinhardtin ja Turokin teoria ei ole ensimmäinen eikä varmasti viimeinen. Nykyään sitä on kuitenkin kehitetty yksityiskohtaisemmin kuin muita, ja se selittää paremmin maailmamme havaitut ominaisuudet. Sillä on useita versioita, joista osa perustuu kvanttijonoteoriaan ja moniulotteisiin tiloihin, kun taas toiset luottavat perinteiseen kvanttikenttäteoriaan. Ensimmäinen lähestymistapa antaa elävämpiä kuvia kosmologisista prosesseista, joten pysymme siinä.
Jousiteorian edistynein versio tunnetaan nimellä M-teoria. Hän väittää, että fyysisessä maailmassa on 11 ulottuvuutta - kymmenen spatiaalista ja yksi ajallinen. Siinä kelluu pienempien tilojen, ns. Branes, tilat. Maailmankaikkeumme on vain yksi näistä ruuduista, joilla on kolme avaruusulottuvuutta. Se on täynnä erilaisia kvanttihiukkasia (elektroneja, kvarkkeja, fotoneja jne.), Jotka itse asiassa ovat avoimia täriseviä jousia, joilla on vain yksi avaruusulottuvuus - pituus. Jokaisen merkkijonon päät on kiinnitetty lujasti kolmiulotteisen rungon sisään, eikä naru voi poistua rungosta. Mutta on myös suljettuja merkkijonoja, jotka voivat siirtyä rintojen ulkopuolelle - nämä ovat gravitoneja, painovoimakentän kvantteja.
Kuinka syklinen teoria selittää maailmankaikkeuden menneisyyden ja tulevaisuuden? Aloitetaan nykyisestä aikakaudesta. Ensimmäinen paikka kuuluu nyt pimeään energiaan, joka saa maailmankaikkeutemme laajenemaan eksponentiaalisesti, kaksinkertaistamaan kokoaan. Tämän seurauksena aineen ja säteilyn tiheys pienenee jatkuvasti, avaruuden gravitaatiokäyrä heikkenee ja sen geometria muuttuu tasaisemmaksi. Seuraavien biljoonan vuoden aikana maailmankaikkeuden koko kaksinkertaistuu noin sata kertaa ja se muuttuu melkein tyhjäksi maailmaksi, jossa ei ole täysin aineellisia rakenteita. Vieressämme on toinen kolmiulotteinen runko, joka erotetaan meistä merkityksettömällä etäisyydellä neljännessä ulottuvuudessa, ja myös se käy läpi samanlaisen eksponentiaalisen laajenemisen ja tasaamisen. Koko tämän ajan ranteiden välinen etäisyys pysyy käytännössä muuttumattomana.
Ja sitten nämä rinnakkaiset kaiteet alkavat lähentyä. Niitä työntää toisiaan kohti voimakenttä, jonka energia riippuu nostureiden välisestä etäisyydestä. Nyt tällaisen kentän energiatiheys on positiivinen, joten molempien aisojen tila laajenee eksponentiaalisesti - siis tämä kenttä tarjoaa vaikutuksen, joka selitetään pimeän energian läsnäololla! Tämä parametri kuitenkin laskee vähitellen ja laskee biljoonan vuoden kuluttua nollaan. Molemmat aisat jatkavat joka tapauksessa, mutta eivät eksponentiaalisesti, mutta hyvin hitaasti. Tämän seurauksena maailmassa hiukkasten ja säteilyn tiheys pysyy melkein nolla ja geometria pysyy tasaisena.
Mutta vanhan tarinan loppu on vain alkusoitto seuraavaan jaksoon. Rungot liikkuvat toisiaan kohti ja törmäävät lopulta. Tässä vaiheessa toimialakohtaisen kentän energiatiheys laskee nollan alapuolelle ja se alkaa toimia kuten painovoima (muistutan teitä siitä, että potentiaalinen painovoimaenergia on negatiivinen!). Kun rintakehät ovat hyvin lähellä, ruskojen välinen kenttä alkaa vahvistaa kvanttivaihteluja maailman kaikissa pisteissä ja muuttaa ne makroskooppisiksi avaruusgeometrian muodonmuutoksiksi (esimerkiksi miljoonasosassa sekunnissa ennen törmäystä tällaisten muodonmuutosten laskettu koko saavuttaa useita metrejä). Törmäyksen jälkeen leijonan osuus iskun aikana vapautuvasta kineettisestä energiasta vapautuu juuri näillä vyöhykkeillä. Tämän seurauksena suurin osa kuumasta plasmasta, jonka lämpötila on noin 1023 astetta, tapahtuu siellä. Näistä alueista tulee paikallisia painovoiman solmuja, jotka muuttuvat tulevien galaksien alkioiksi.
Tällainen törmäys korvaa inflaatiokosmologian suuren räjähdyksen. On erittäin tärkeää, että kaikki uudet muodostuneet aineet, joilla on positiivista energiaa, ilmestyvät toimialakohtaisen kentän kertyneen negatiivisen energian vuoksi, joten energiansäästölakia ei rikota.
Kuinka tällainen kenttä käyttäytyy tällä ratkaisevalla hetkellä? Ennen törmäystä sen energian tiheys saavuttaa minimin (ja negatiivisen), alkaa sitten kasvaa ja törmäyksessä siitä tulee nolla. Sitten rintakuvat hylkäävät toisiaan ja alkavat levitä. Haarojenvälisen energian tiheys kulkee käänteisen evoluution läpi - jälleen siitä tulee negatiivinen, nolla, positiivinen. Aineella ja säteilyllä rikastettu lese laajenee ensin alenevalla nopeudella oman gravitaationsa jarrutusvaikutuksella ja siirtyy sitten jälleen eksponentiaaliseen laajenemiseen. Uusi sykli päättyy kuten edellinen - ja niin edelleen loputtomasti. Meitä edeltävät syklit tapahtuivat myös aikaisemmin - tässä mallissa aika on jatkuvaa, joten menneisyys on olemassa yli 13,7 miljardin vuoden, joka on kulunut sen jälkeen, kun aivomme viimeinen rikastus aineella ja säteilyllä on kulunut!Olipa heillä alku ollenkaan, teoria on hiljainen.
Syklinen teoria selittää maailmamme ominaisuudet uudella tavalla. Sillä on tasainen geometria, koska jokaisen syklin lopussa se venyy liikaa ja muuttuu vain vähän ennen uuden syklin aloittamista. Kvanttivaihtelut, joista tulee galaksien edeltäjiä, syntyvät kaoottisesti, mutta keskimäärin tasaisesti - ulkoavaruus on siis täynnä ainepaloja, mutta hyvin suurilla etäisyyksillä se on melko tasainen. Emme voi havaita magneettisia monopoleja yksinkertaisesti siksi, että vastasyntyneen plasman maksimilämpötila ei ylittänyt 1023 K, ja tällaisten hiukkasten ilmestyminen vaatii paljon suurempia energioita - luokkaa 1027 K.
Syklinen teoria on olemassa useissa versioissa, samoin kuin inflaatioteoria. Paul Steinhardtin mukaan niiden väliset erot ovat kuitenkin puhtaasti teknisiä ja mielenkiintoisia vain asiantuntijoille, yleinen käsite pysyy muuttumattomana:”Ensinnäkin teoriassamme ei ole hetkeä maailman alusta, ei singulaarisuutta. Aineen ja säteilyn voimakkaassa luomisessa on jaksoittaisia vaiheita, joista jokaista voidaan haluttaessa kutsua Suureksi Bangiksi. Mutta mikään näistä vaiheista ei merkitse uuden maailmankaikkeuden syntymistä, vaan vain siirtymistä yhdestä syklistä toiseen. Sekä tilaa että aikaa on olemassa sekä ennen näitä katastrofeja että niiden jälkeen. Siksi on aivan luonnollista kysyä, mikä oli tilanne 10 miljardia vuotta ennen viimeistä Suurta Bangta, josta maailmankaikkeuden historia lasketaan.
Toinen keskeinen ero on tumman energian luonne ja rooli. Inflaatiokosmologia ei ennustanut maailmankaikkeuden hidastuvan laajenemisen siirtymistä kiihtyvään. Ja kun astrofyysikot löysivät tämän ilmiön tarkkailemalla kaukaisen supernovan räjähdyksiä, tavallinen kosmologia ei edes tiennyt mitä tehdä sen suhteen. Pimeän energian hypoteesi esitettiin yksinkertaisesti tarkoituksena sitoa näiden havaintojen paradoksaaliset tulokset teoriaan. Ja lähestymistapamme on paljon paremmin suljettu sisäisen logiikan avulla, koska meillä on aluksi pimeää energiaa ja juuri tämä energia varmistaa kosmologisten syklien vuorottelun. " Kuitenkin, kuten Paul Steinhardt toteaa, syklisellä teorialla on myös heikkoja kohtia:”Emme ole vielä onnistuneet kuvaamaan vakuuttavasti kunkin syklin alussa tapahtuvaa rinnakkaiskaarien törmäys- ja palautumisprosessia. Muut suhdanneteorian näkökohdat ovat paljon paremmin kehittyneitä, mutta on vielä paljon epäselvyyksiä."
Mutta jopa kauneimmat teoreettiset mallit tarvitsevat kokeellista todentamista. Voidaanko syklinen kosmologia vahvistaa tai kumota havainnoilla? "Sekä inflaatio- että sykliteoriat ennustavat pyhäinjäännösgravitaatioaaltojen olemassaolon", Paul Steinhardt selittää. - Ensimmäisessä tapauksessa ne johtuvat primaarisista kvanttivaihteluista, jotka tahrautuvat avaruuteen inflaation aikana ja tuottavat sen geometrian jaksoittaisia heilahteluja - ja nämä ovat yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaaltoja. Skenaariossamme kvanttivaihtelut ovat myös tällaisten aaltojen perimmäinen syy - samat, jotka vahvistuvat rintojen törmäyksillä. Laskelmat ovat osoittaneet, että kukin mekanismi tuottaa aaltoja, joilla on tietty spektri ja erityinen polarisaatio. Näiden aaltojen piti jättää jäljet kosmiseen mikroaaltosäteilyyn, joka on korvaamaton tietolähde varhaisesta avaruudesta. Toistaiseksi tällaisia jälkiä ei ole löydetty, mutta todennäköisesti se tehdään seuraavan vuosikymmenen aikana. Lisäksi fyysikot ajattelevat jo kahden tai kolmen vuosikymmenen kuluessa ilmestyvien pyhäinjäännösgravitaatioaaltojen suoraa rekisteröintiä avaruusaluksilla."
Toinen ero professori Steinhardtin mukaan on mikroaaltotaustan taustasäteilyn lämpötilajakauma:”Tämä taivaan eri osista tuleva säteily ei ole täysin tasainen lämpötilassa, sillä on enemmän ja vähemmän lämmitettyjä alueita. Nykyaikaisen laitteen tarjoaman mittaustarkkuuden tasolla kuumien ja kylmien vyöhykkeiden lukumäärä on suunnilleen sama, mikä on yhtäpitävä molempien teorioiden - inflaatio- ja syklisyyden - päätelmien kanssa. Nämä teoriat ennustavat kuitenkin hienovaraisempia eroja vyöhykkeiden välillä. Periaatteessa he pystyvät tunnistamaan viime vuonna käynnistetyn Euroopan avaruuden observatorion Planck ja muut uusimmat avaruusalukset. Toivon, että näiden kokeiden tulokset auttavat tekemään valinnan inflaatio- ja suhdanneteorioiden välillä. Mutta se voi myös tapahtuaettä tilanne pysyy epävarmana eikä yksikään teoria saa yksiselitteistä kokeellista tukea. No, sitten minun on keksittävä jotain uutta."
Inflaatiomallin mukaan pian syntymänsä jälkeen maailmankaikkeus eksponentiaalisesti laajeni hyvin lyhyeksi ajaksi, kaksinkertaistamalla lineaarisen ulottuvuutensa moninkertaisesti. Tutkijat uskovat, että tämän prosessin alku osui samaan aikaan voimakkaan vuorovaikutuksen erottumisen kanssa ja tapahtui 10-36 s: n aikamerkillä. Tällainen laajeneminen (amerikkalaisen teoreettisen fyysikon Sidney Colemanin kevyellä kädellä sitä kutsuttiin kosmologiseksi inflaatioksi) oli erittäin lyhytaikainen (jopa 10-34 s), mutta lisäsi maailmankaikkeuden lineaarisia ulottuvuuksia vähintään 1030-1050 kertaa ja mahdollisesti paljon enemmän. Useimpien erityisten skenaarioiden mukaan inflaatio käynnistettiin anti-gravitaatiokvanttiskaala-kentällä, jonka energiatiheys vähitellen väheni ja lopulta saavutti minimin. Ennen kuin tämä tapahtui, kenttä alkoi heilahtaa nopeasti,synnyttää alkeishiukkasia. Tuloksena, inflaatiovaiheen loppuun mennessä, maailmankaikkeus täytettiin superhotplasmalla, joka koostui vapaista kvarkeista, gluoneista, leptoneista ja suurenergisistä sähkömagneettisen säteilyn kvanteista.
Radikaali vaihtoehto
1980-luvulla professori Steinhardt osallistui merkittävästi Suuren räjähdyksen standarditeorian kehittämiseen. Tämä ei kuitenkaan estänyt häntä etsimästä radikaalia vaihtoehtoa teorialle, johon oli investoitu niin paljon työtä. Kuten Paul Steinhardt itse kertoi Popular Mechanicsille, inflaatio-hypoteesi paljastaa monia kosmologisia mysteerejä, mutta tämä ei tarkoita, ettei ole mitään järkeä etsiä muita selityksiä:”Aluksi olin vain kiinnostunut yrittämään ymmärtää maailmamme perusominaisuuksia turvautumatta inflaatioon. Myöhemmin, kun syvensin asiaa syvemmälle, vakuutuin siitä, että inflaatioteoria ei ole ollenkaan niin täydellinen kuin sen kannattajat väittävät. Kun inflaatiokosmologiaa oli vasta luomassa, toivoimme sen selittävän siirtymistä aineen alkuperäisestä kaoottisesta tilasta nykyiseen järjestettyyn maailmankaikkeuteen. Hän teki sen - mutta hän meni paljon pidemmälle.
Teorian sisäinen logiikka vaati tunnustamaan, että inflaatio luo jatkuvasti loputtoman määrän maailmoja. Tämä ei olisi iso juttu, jos heidän fyysinen laite kopioisi omamme, mutta tämä vain ei toimi. Esimerkiksi inflaatiohypoteesin avulla oli mahdollista selittää, miksi elämme tasaisessa euklidisessa maailmassa, mutta loppujen lopuksi useimmilla muilla universumeilla ei todellakaan ole samaa geometriaa. Lyhyesti sanottuna rakensimme teoriaa selittämään omaa maailmaamme, ja se meni käsistä ja synnytti loputtomasti erilaisia eksoottisia maailmoja. Tämä tilanne ei enää sopinut minulle. Lisäksi standarditeoria ei kykene selittämään eksponentiaalista laajentumista edeltäneen aikaisemman tilan luonnetta. Tässä mielessä se on yhtä epätäydellinen kuin inflaatiota edeltävä kosmologia. Lopuksi,hän ei pysty sanomaan mitään pimeän energian luonteesta, joka on johtanut maailmankaikkeuden laajentumista 5 miljardia vuotta.