Naslov ovog članka možda neće zvučati pametno u šali. Prema općeprihvaćenom kozmološkom konceptu, teoriji Velikog praska, naš je Svemir nastao iz ekstremnog stanja fizičkog vakuuma generiranog kvantnom fluktuacijom. U tom stanju nisu postojali ni vrijeme ni prostor (ili su bili zapleteni u prostorno-vremensku pjenu) i sve su temeljne fizičke interakcije bile stopljene zajedno. Kasnije su se odvojili i stekli neovisno postojanje - prvo gravitacija, zatim jaka interakcija, a tek onda - slaba i elektromagnetska.
Vratimo se znanstveno utemeljenom
Teorija Velikog praska vjeruje apsolutnoj većini znanstvenika koji proučavaju ranu povijest našeg svemira. Doista, to puno objašnjava i ni na koji način nije u suprotnosti s eksperimentalnim podacima. Međutim, nedavno ima konkurenta suočenom s novom, cikličkom teorijom, čije su temelje razvila dva fizičara izvan klase - direktor Instituta za teorijsku znanost Sveučilišta Princeton Paul Steinhardt i laureat Maxwellove medalje i prestižne međunarodne nagrade TED Neil Turok, direktor Kanadskog instituta za napredne studije u teoretskom Fizika (Perimetarski institut za teorijsku fiziku). Uz pomoć profesora Steinhardta, Popular Mechanics pokušao je razgovarati o cikličkoj teoriji i razlozima njezine pojave.
Trenutak koji prethodi događajima, kada se pojavio „prvo gravitacija, a zatim jaka interakcija, a tek onda - slaba i elektromagnetska.“Obično se označava kao nulto vrijeme, t = 0, ali ovo je čista konvencija, počast matematičkom formalizmu. Prema standardnoj teoriji, kontinuirani protok vremena započeo je tek nakon što je sila gravitacije postala neovisna. Taj se trenutak obično pripisuje vrijednosti t = 10-43 s (točnije, 5,4x10-44 s), koja se naziva Planckovo vrijeme. Moderne fizikalne teorije jednostavno nisu u stanju smisleno raditi s kraćim vremenskim razdobljima (smatra se da je za to potrebna kvantna teorija gravitacije, koja još nije stvorena). U kontekstu tradicionalne kozmologije nema smisla govoriti o onome što se dogodilo prije početnog trenutka u vremenu,jer vrijeme u našem razumijevanju tada jednostavno nije postojalo.
Koncept inflacije važan je dio standardne kozmološke teorije (vidi bočnu traku). Nakon završetka inflacije, gravitacija je došla na svoje, a Svemir se nastavio širiti, ali sve manjom brzinom. Ova evolucija trajala je 9 milijardi godina, nakon čega je na snagu stupilo još jedno antigravitacijsko polje još uvijek nepoznate prirode, koje se naziva tamna energija. Ponovno je svemir doveo u mod eksponencijalne ekspanzije, koja bi se, čini se, trebala nastaviti i u budućim vremenima. Valja napomenuti da se ovi zaključci temelje na astrofizičkim otkrićima do kojih je došlo krajem prošlog stoljeća, gotovo 20 godina nakon pojave inflatorne kozmologije.
Inflacijsko tumačenje Velikog praska prvi je put predloženo prije oko 30 godina i od tada je mnogo puta dorađivano. Ova je teorija riješila nekoliko temeljnih problema s kojima se prethodna kozmologija nije uspjela nositi. Na primjer, objasnila je zašto živimo u svemiru s ravnom euklidskom geometrijom - prema klasičnim Friedmannovim jednadžbama, upravo bi to trebalo učiniti s eksponencijalnim širenjem. Teorija inflacije objasnila je zašto kozmička tvar ima granularnost u mjerilu koja ne prelazi stotine milijuna svjetlosnih godina i ravnomjerno je raspoređena na velike udaljenosti. Također je dala tumačenje neuspjeha bilo kakvih pokušaja otkrivanja magnetskih monopola, vrlo masivnih čestica s jednim magnetskim polom, za koje se vjeruje da susu rođeni u obilju prije početka inflacije (inflacija se proširila u svemir tako da je prvotno velika gustoća monopola svedena na gotovo nulu, pa ih stoga naši instrumenti ne mogu otkriti).
Promotivni video:
Ubrzo nakon što se pojavio inflatorni model, nekoliko je teoretičara shvatilo da njegova unutarnja logika nije u suprotnosti s idejom trajnog višestrukog rađanja sve više i više novih svemira. Doista, kvantne fluktuacije, poput onih kojima svoj svijet dugujemo postojanju, mogu se pojaviti u bilo kojoj količini, pod uvjetom da su uvjeti u pitanju. Moguće je da je naš svemir napustio zonu kolebanja nastalu u svijetu prethodnika. Na isti način, može se pretpostaviti da će se negdje i negdje u našem vlastitom Svemiru stvoriti fluktuacija, koja će "ispuhati" mladi svemir potpuno druge vrste, također sposoban za kozmološku "reprodukciju". Postoje obrasci u kojima se takvi dječji svemiri neprestano pojavljuju, odvajaju se od roditelja i pronalaze svoje mjesto. Štoviše, uopće nije potrebno da se isti fizički zakoni uspostavljaju u takvim svjetovima. Svi su ti svjetovi "ugniježđeni" u jedan prostorno-vremenski kontinuum, ali toliko su razmaknuti da ni na koji način ne osjećaju međusobno prisustvo. Općenito, koncept inflacije omogućuje - štoviše, prisiljava - - vjerovati da u gigantskom megakozmosu postoje mnogi izolirani svemiri s različitim uređenjima.
Teoretski fizičari vole smišljati alternative čak i najopćenitijim teorijama. Inflatorni model Velikog praska također ima konkurente. Nisu dobili široku podršku, ali imaju i imaju svoje sljedbenike. Teorija Steinhardta i Turoka među njima nije prva, a zasigurno nije ni posljednja. Međutim, danas je razvijen detaljnije od ostalih i bolje objašnjava promatrana svojstva našega svijeta. Ima nekoliko verzija, od kojih se neke temelje na kvantnoj teoriji struna i višedimenzionalnim prostorima, dok se druge oslanjaju na tradicionalnu kvantnu teoriju polja. Prvi pristup daje živopisnije slike kozmoloških procesa, pa ćemo se zadržati na njemu.
Najnaprednija verzija teorije struna poznata je pod nazivom M-teorija. Tvrdi da fizički svijet ima 11 dimenzija - deset prostornih i jednu vremensku. U njemu plutaju prostori nižih dimenzija, takozvane brane. Naš svemir je samo jedna od ovih brana, s tri prostorne dimenzije. Ispunjen je raznim kvantnim česticama (elektroni, kvarkovi, fotoni, itd.), Koje su zapravo otvorene vibracijske žice sa samo jednom prostornom dimenzijom - duljinom. Krajevi svake žice čvrsto su učvršćeni unutar trodimenzionalne brane i žica ne može napustiti branu. Ali postoje i zatvorene žice koje mogu migrirati izvan brane - to su gravitoni, kvante gravitacijskog polja.
Kako ciklična teorija objašnjava prošlost i budućnost svemira? Krenimo od trenutne ere. Prvo mjesto sada pripada tamnoj energiji, zbog koje se naš svemir eksponencijalno širi, povremeno udvostručujući veličinu. Kao rezultat, gustoća materije i zračenja stalno se smanjuje, gravitacijska zakrivljenost prostora slabi, a njegova geometrija postaje sve ravna. Tijekom sljedećih trilijuna godina veličina svemira udvostručit će se stotinjak puta i pretvorit će se u gotovo prazan svijet, potpuno lišen materijalnih struktura. Pokraj nas je još jedna trodimenzionalna brana, odvojena od nas beznačajnom udaljenostom u četvrtoj dimenziji, a i ona prolazi sličnu eksponencijalnu ekspanziju i izravnavanje. Cijelo to vrijeme udaljenost između brane ostaje praktički nepromijenjena.
A onda se te paralelne brane počinju konvergirati. Gura ih jedno prema drugome polje sila čija energija ovisi o udaljenosti između brane. Sada je gustoća energije takvog polja pozitivna, pa se prostor obje brane eksponencijalno širi - dakle, upravo to polje pruža učinak koji se objašnjava prisutnošću tamne energije! Međutim, ovaj se parametar postupno smanjuje i za trilijun godina past će na nulu. Obje brane ionako će se nastaviti širiti, ali ne eksponencijalno, već vrlo sporim tempom. Slijedom toga, u našem će svijetu gustoća čestica i zračenja ostati gotovo nula, a geometrija će ostati ravna.
No, kraj stare priče samo je uvod u sljedeći ciklus. Brane se kreću jedna prema drugoj i na kraju se sudaraju. U ovoj fazi gustoća energije međugranskog polja pada ispod nule i ono počinje djelovati poput gravitacije (podsjetit ću vas da je potencijalna energija gravitacije negativna!). Kad su brane vrlo blizu, međubransko polje počinje pojačavati kvantne fluktuacije u svakoj točki našega svijeta i pretvara ih u makroskopske deformacije prostorne geometrije (na primjer, u milijunti dio sekunde prije sudara, izračunata veličina takvih deformacija doseže nekoliko metara). Nakon sudara, u tim se zonama oslobađa lavovski udio kinetičke energije oslobođene tijekom udara. Kao rezultat, tamo se javlja većina vruće plazme s temperaturom od oko 1023 stupnja. Upravo te regije postaju lokalni gravitacijski čvorovi i pretvaraju se u zametke budućih galaksija.
Takav sudar zamjenjuje Veliki prasak inflatorne kozmologije. Vrlo je važno da se sva novonastala tvar s pozitivnom energijom pojavi zbog akumulirane negativne energije međugranskog polja, stoga se zakon o očuvanju energije ne krši.
Kako se takvo polje ponaša u ovom presudnom trenutku? Prije sudara, gustoća njegove energije doseže minimum (i negativan), zatim počinje rasti i nakon sudara postaje nula. Brane se tada odbijaju i počinju razilaziti. Gustoća međusobno razgranate energije prolazi kroz obrnuti razvoj - opet postaje negativna, nula, pozitivna. Brana, obogaćena materijom i zračenjem, prvo se širi smanjenom brzinom pod efektom kočenja vlastite gravitacije, a zatim opet prelazi u eksponencijalno širenje. Novi ciklus završava kao i prethodni - i tako dalje beskonačno. Ciklusi koji su prethodili našem također su se događali u prošlosti - u ovom je modelu vrijeme kontinuirano, tako da prošlost postoji i nakon 13,7 milijardi godina koje su prošle od posljednjeg obogaćivanja naše brane materijom i zračenjem!Jesu li uopće imali početak, teorija šuti.
Ciklična teorija na nov način objašnjava svojstva našega svijeta. Ima ravnu geometriju, jer se na kraju svakog ciklusa prekomjerno proteže i tek lagano deformira prije početka novog ciklusa. Kvantne fluktuacije, koje postaju preteče galaksija, nastaju kaotično, ali u prosjeku ravnomjerno - dakle, svemir je ispunjen nakupinama materije, ali na vrlo velikim udaljenostima prilično je homogen. Magnetske monopole ne možemo otkriti samo zato što maksimalna temperatura plazme novorođenčeta nije prelazila 1023 K, a za pojavu takvih čestica potrebne su mnogo veće energije - reda veličine 1027 K.
Ciklična teorija postoji u nekoliko verzija, kao i teorija inflacije. Međutim, prema Paulu Steinhardtu, razlike između njih čisto su tehničke i zanimljive samo stručnjacima, opći koncept ostaje nepromijenjen: „Prvo, u našoj teoriji ne postoji trenutak početka svijeta, niti singularnost. Postoje periodične faze intenzivnog stvaranja materije i zračenja, od kojih se svaka, po želji, može nazvati Velikim praskom. No, bilo koja od ovih faza ne označava pojavu novog svemira, već samo prijelaz iz jednog ciklusa u drugi. I prostor i vrijeme postoje i prije i nakon bilo koje od ovih kataklizmi. Stoga je posve prirodno pitati se kakvo je bilo stanje stvari 10 milijardi godina prije posljednjeg Velikog praska, od kojeg se računa povijest svemira.
Druga ključna razlika je priroda i uloga tamne energije. Inflatorna kozmologija nije predvidjela prijelaz usporenog širenja Svemira u ubrzano. A kad su astrofizičari otkrili ovaj fenomen promatrajući eksplozije udaljenih supernova, standardna kozmologija nije ni znala što s tim učiniti. Hipoteza o tamnoj energiji iznesena je jednostavno kako bi se paradoksalni rezultati ovih opažanja nekako povezali s teorijom. A naš je pristup puno bolje zapečaćen unutarnjom logikom, budući da u početku imamo tamnu energiju i upravo ta energija osigurava izmjenu kozmoloških ciklusa. " Međutim, kako primjećuje Paul Steinhardt, ciklična teorija također ima slabe točke: „Još nismo uspjeli uvjerljivo opisati postupak sudara i odskoka paralelnih brana koji se odvija na početku svakog ciklusa. Ostali aspekti cikličke teorije puno su bolje razvijeni, ali još uvijek ima mnogo nejasnoća koje treba razriješiti."
Ali čak i najljepši teorijski modeli trebaju eksperimentalnu provjeru. Mogu li se promatranjem potvrditi ili opovrgnuti ciklična kozmologija? "I inflatorne i cikličke teorije predviđaju postojanje reliktnih gravitacijskih valova", objašnjava Paul Steinhardt. - U prvom slučaju nastaju iz primarnih kvantnih fluktuacija, koje se tijekom napuhavanja razmazuju prostorom i generiraju periodične oscilacije njegove geometrije - a to su, prema općoj relativnosti, gravitacijski valovi. U našem su scenariju kvantne fluktuacije također glavni uzrok takvih valova - istih onih koji se pojačavaju sudarima brana. Izračuni su pokazali da svaki mehanizam generira valove sa specifičnim spektrom i specifičnom polarizacijom. Ti su valovi trebali ostaviti otiske na kozmičkom mikrovalnom zračenju, što je neprocjenjiv izvor informacija o ranom svemiru. Do sada takvi tragovi nisu pronađeni, ali, najvjerojatnije, to će biti učinjeno u sljedećem desetljeću. Uz to, fizičari već razmišljaju o izravnoj registraciji reliktnih gravitacijskih valova pomoću svemirskih letjelica, koja će se pojaviti za dva do tri desetljeća."
Druga je razlika, prema profesoru Steinhardtu, raspodjela temperature pozadinskog mikrovalnog zračenja: „Ovo zračenje koje dolazi iz različitih dijelova neba nije potpuno jednoliko po temperaturi, ima sve manje zagrijane zone. Na razini preciznosti mjerenja koju pruža moderna oprema, broj vrućih i hladnih zona približno je jednak, što se podudara sa zaključcima obje teorije - i inflatorne i cikličke. Međutim, ove teorije predviđaju suptilnije razlike između zona. U principu, moći će identificirati Europsku svemirsku zvjezdarnicu "Planck" lansiranu prošle godine i druge najnovije letjelice. Nadam se da će rezultati ovih eksperimenata pomoći u odabiru između inflatorne i cikličke teorije. Ali može se i dogoditida će situacija ostati neizvjesna i niti jedna od teorija neće dobiti nedvosmislenu eksperimentalnu potporu. Pa, onda ću morati smisliti nešto novo."
Prema inflatornom modelu, ubrzo nakon rođenja, Svemir se eksponencijalno proširio vrlo kratko, udvostručivši svoje linearne dimenzije višestruko. Znanstvenici vjeruju da se početak ovog procesa podudarao u vremenu s razdvajanjem jake interakcije i dogodio se u vremenu od 10-36 s. Ova ekspanzija (laganom rukom američkog teoretskog fizičara Sidneya Colemana, nazvana je kozmološka inflacija) bila je izuzetno kratkotrajna (do 10-34 s), ali povećala je linearne dimenzije Svemira najmanje 1030-1050 puta, a možda i puno više. Prema većini specifičnih scenarija, inflaciju je pokrenulo antigravitacijsko kvantno skalarno polje, čija se gustoća energije postupno smanjivala i na kraju dosegla minimum. Prije nego što se to dogodilo, polje je počelo brzo oscilirati,generirajući elementarne čestice. Kao rezultat toga, do kraja inflatorne faze, Svemir je bio ispunjen super vrućom plazmom koja se sastojala od slobodnih kvarkova, gluona, leptona i visokoenergetskih kvanta elektromagnetskog zračenja.
Radikalna alternativa
Osamdesetih je profesor Steinhardt dao značajan doprinos razvoju standardne teorije Velikog praska. Međutim, to ga nije spriječilo da traži radikalnu alternativu teoriji u koju je uloženo toliko rada. Kao što je sam Paul Steinhardt rekao za Popular Mechanics, hipoteza o inflaciji doista otkriva mnoge kozmološke misterije, ali to ne znači da nema smisla tražiti druga objašnjenja: „U početku me samo zanimalo pokušati razumjeti osnovna svojstva našega svijeta bez pribjegavanja inflaciji. Kasnije, kad sam dublje zašao u ovo pitanje, uvjerio sam se da inflatorna teorija uopće nije tako savršena kao što tvrde njezini zagovornici. Kad se inflacijska kozmologija tek stvarala, nadali smo se da će objasniti prijelaz iz početnog kaotičnog stanja materije u trenutni uređeni Svemir. Uspjela je - ali otišla je puno dalje.
Unutarnja logika teorije zahtijevala je prepoznati da inflacija neprestano stvara beskonačan broj svjetova. To bi bilo u redu kad bi njihov fizički uređaj kopirao naš vlastiti, ali ovo jednostavno ne funkcionira. Primjerice, uz pomoć inflatorne hipoteze bilo je moguće objasniti zašto živimo u ravnom euklidskom svijetu, ali uostalom, većina ostalih svemira sigurno neće imati istu geometriju. Ukratko, gradili smo teoriju kako bismo objasnili svoj vlastiti svijet, a ona je izmaknula kontroli i iznjedrila beskrajnu raznolikost egzotičnih svjetova. Ovakvo stanje stvari mi je prestalo odgovarati. Uz to, standardna teorija nije u stanju objasniti prirodu ranijeg stanja, koje je prethodilo eksponencijalnom širenju. U tom je smislu ona nepotpuna kao i predinflacijska kozmologija. Konačno,ona nije u stanju reći ništa o prirodi tamne energije, koja pokreće širenje našeg svemira već 5 milijardi godina.
