Oamenii au fost întotdeauna fascinați de două teorii principale despre originea universului. „Într-unul dintre ei, Universul apare într-un singur moment al creației (ca în cosmogonia iudeo-creștină și braziliană)”, au scris cosmologii Mario Novello și Santiago Perez-Bergliff în 2008. În altul - "Universul este etern și constă dintr-o serie interminabilă de cicluri (ca în cosmogonia babilonienilor și egiptenilor)." Divizarea în cosmologia modernă „răsună cumva în miturile cosmogonice”, au scris cosmologii.
Se poate părea că nu a existat prea multe confruntări în ultimele decenii. Teoria Big Bang, un subiect standard în manuale și emisiuni TV, se bucură de un sprijin puternic din partea cosmologilor moderni. Imaginea unui univers etern era de preferat acum aproximativ o sută de ani, dar a pierdut sprijinul când astronomii au văzut că cosmosul se extinde și că era mic și simplu în urmă cu 14 miliarde de ani. În cea mai populară versiune modernă a acestei teorii, Big Bang-ul a început cu așa-numita „inflație cosmică” - o explozie de expansiune exponențială, în timpul căreia o felie infinitesimală de spațiu s-a umflat într-un spațiu imens, plat, macroscopic, care a continuat să se extindă de atunci.
Astăzi, folosind un ingredient inițial (câmpul inflaton), modelele inflaționiste reproduc multe dintre detaliile cunoscute ale cosmosului. Dar, ca poveste de origine, teoria inflației pierde în multe feluri: nu este clar ce a precedat-o și ce a fost înainte. Mulți teoreticieni consideră că câmpul inflaton ar trebui să se încadreze în mod firesc într-o teorie mai completă, deși încă necunoscută, a originii timpului.
În ultimii ani, tot mai mulți cosmologi au început să revizuiască cu precauție alternativa. Ei spun că Big Bang-ul ar fi putut fi … The Big Rebound. Unii cosmologi preferă să vadă o imagine în care universul se extinde și se contractă ciclic, precum un plămân, care sări din când în când se contractă la o anumită dimensiune; alții sugerează că cosmosul a sărit doar o singură dată - și că s-a prăbușit înainte de a reveni pentru o perioadă infinit de lungă de timp și s-ar extinde la nesfârșit ulterior. În orice model, timpul continuă să curgă în trecut și viitor fără sfârșit.
Există speranță cu știința modernă de a rezolva această dezbatere străveche. În următorii ani, telescoapele ar trebui să găsească dovezi convingătoare ale inflației cosmice. În timpul primei creșteri răsunătoare - dacă a existat una - ondulările cuantice din țesătura spațiu-timpului ar fi trebuit să se întindă și să se imprime ca mici vârtejuri în polarizarea luminii antice - fundalul cosmic cu microunde. Experimentele cu telescoape moderne și viitoare caută aceste gheare. Dacă nu se regăsesc în următoarele câteva decenii, nu va însemna, de asemenea, că teoria inflației este greșită (la urma urmei, aceste vortice ar putea fi prea slabe), dar va consolida poziția cosmologiei de revenire, conform căreia aceste vortice nu ar trebui să existe.
Mai multe grupuri de oameni de știință au înregistrat progrese remarcabile simultan. Anul trecut, fizicienii au identificat două noi opțiuni pentru o posibilă revenire. Unul dintre modele, descris într-o lucrare apărută în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, a fost prezentat de Anna Idjas de la Universitatea Columbia, în urma lucrărilor sale anterioare cu cosmologul Paul Steinhardt. În mod surprinzător, o altă soluție de respingere nouă, acceptată pentru publicare în Physical Review D, a fost propusă de Peter Graham, David Kaplan și Surjit Rahendran, un cunoscut trio de oameni de știință care erau mai concentrați asupra fizicii particulelor și nu erau afiliați cu comunitatea cosmologilor de săritură.
În general, această întrebare a căpătat o nouă semnificație în 2001, când Steinhardt și alți trei cosmologi au afirmat că perioada de compresie lentă din istoria Universului ar putea explica netezimea și planeitatea excepțională pe care o observăm astăzi, chiar și după un recul - fără a fi nevoie să conectăm inflația.
Video promotional:
Simplitatea impecabilă a universului, faptul că nicio regiune a cerului nu conține mai multă materie decât oricare alta și că spațiul este la fel de plat pe cât pot vedea telescoapele, sunt toate uimitoare și inexplicabile. Pentru ca spațiul să fie la fel de omogen precum este, specialiștii consideră că atunci când spațiul era un centimetru peste, acesta trebuia să aibă aceeași densitate peste tot, într-o parte, la 100.000. aglomerați și denaturați spațiul-timp. De ce telescoapele noastre nu pot vedea un univers distrus de gravitație?
"Inflația a ieșit din ideea că netezimea și planeitatea universului este nebună", spune cosmologul Neil Turok, director al Institutului Perimetrului pentru Fizică Teoretică din Waterloo, Ontario și coautor al unei lucrări din 2001 despre contracția cosmică de Steinhardt, Justin Howry și Bert Ovroot. … Conform scenariului inflației, o regiune de dimensiuni de centimetri a apărut în procesul de extindere inflaționistă a unei regiuni și mai mici - o micuță mică nu mai mare de un trilion de miliarde de centimetri. Întinzându-se într-un câmp inflatonic plat și neted, această speck nu ar fi trebuit să treacă prin fluctuații puternice ale spațiului și timpului și să se întindă într-un univers mare și neted ca al nostru. Raman Sundrum, fizician teoretic la Universitatea din Maryland, a spus că îi place „rezistența încorporată” în inflație. Dacă în faza creșterii explozive a existat o acumulare de energie care a denaturat spațiul-timp într-un anumit loc, această concentrare ar fi trebuit să se extindă rapid.
Totuși, de unde a apărut exact această piesa incredibil de mică și de ce era atât de lin și plat, nimeni nu știe. Teoreticienii au găsit multe opțiuni posibile pentru încorporarea câmpului inflatului în teoria corzilor, din care poate fi derivată o teorie cuantică a gravitației. Însă până acum nu există fapte nici pentru, nici pentru sau împotriva acestor idei.
Inflația cosmică are și ea o consecință controversată. Teoria prezentată în anii 1980 de Alan Guth, Andrey Linde, Alexei Starobinsky și Steinhardt duce aproape automat la ipoteza că universul nostru este o bulă întâmplătoare într-o mare nesfârșită de multivers. De îndată ce inflația începe, calculele arată că va continua pentru totdeauna și se va opri doar în locuri, în „buzunare”, în care universurile ca ale noastre vor înflori apoi. Posibilitatea unui multivers în continuă expansiune în procesul inflației sugerează că bula noastră specială poate rămâne pentru totdeauna de neînțeles, deoarece tot ce este posibil s-a întâmplat în multivers de nenumărate ori. Desigur, această concluzie îi face pe experți să mârâie. Este dificil să ne imaginăm că universul nostru nu poate fi decât unul dintre mulți. Însuși Steinhardt a numit această idee „gunoi”.
Această atitudine i-a motivat în parte pe el și pe alți cercetători să facă față reluărilor. „Nu există o perioadă de inflație în modelul de revenire”, spune Turok. În schimb, au adăugat o perioadă de compresie pre-Big Bang explicând universul nostru omogen. „La fel cum gazul din camera dvs. este complet omogen, deoarece moleculele de aer s-au ciocnit și s-au amestecat, la fel universul a fost comprimat și încet, ceea ce i-a dat timp să se netezească.”
Deși primele modele ale unui univers în scădere au fost confuze și imprecise, mulți oameni de știință au devenit convinși de ideea de bază: acel contracție lentă ar putea explica multe dintre caracteristicile universului nostru în expansiune. „Și apoi reculul a devenit blocajul. Oamenii au fost de acord că trecerea în faza de contracție este foarte interesantă, dar nu dacă nu puteți intra în faza de expansiune."
Salbarea nu este ușoară. În anii ’60, fizicienii britanici Roger Penrose și Stephen Hawking au dovedit un set de așa-numite „teoreme de singularitate” care arătau că, în condiții foarte generale, compresiunea materiei și a energiei va avea ca rezultat inevitabil un punct dens incomensurabil - o singularitate. Aceste teoreme pot găzdui cu greu ideea cum un univers în scădere, în care materia, spațiul și energia se rostogolesc spre interior, scapă de colaps într-o singularitate - în care teoria clasică a gravității și spațimei a lui Albert Einstein încetează să funcționeze și în care regulile gravitației cuantice încep să funcționeze. … De ce un univers în scădere ar scăpa de soarta unei stele masive care moare, se micșorează până la un punct și devine o gaură neagră?
Ambele modele de respingere propuse exploatează lacunele teoremelor de singularitate - cele care păreau capete de mulți ani. Cosmologii rebondiți au recunoscut de multă vreme că rebuturile ar putea fi posibile dacă universul ar conține materie energetică negativă (sau alte surse de presiune negativă) care contracarează gravitația și respinge totul. Oamenii de știință au încercat să exploateze această lacună încă de la începutul anilor 2000, dar au descoperit întotdeauna că adăugarea ingredientelor cu energie negativă face ca modelul lor de univers să fie instabil, deoarece fluctuațiile cuantice de energie pozitivă și negativă pot apărea spontan în vidul spațiului cu energie zero. În 2016, cosmologul rus Valery Rubakov și colegii săi au dovedit chiar o teoremă care excludea o clasă mare de mecanisme de revenire.
Apoi, Idjas a găsit un mecanism de recul care poate evita și această excepție. Ingredientul cheie al modelului ei este o entitate simplă, un „câmp scalar”, care, teoretic, ar putea intra în joc atunci când universul se contracta și energia devenea extrem de concentrată. Câmpul scalar s-ar putea ascunde în câmpul gravitațional, astfel încât să exercite presiune negativă asupra universului, prevenind compresia și întinderea spațiului timpului. Lucrarea lui Idjas este „cea mai bună încercare de a valorifica toate instabilitățile posibile și de a crea un model cu adevărat stabil cu acest tip de materie specială”, spune Jean-Luc Leiners, un cosmolog teoretic al Institutului Max Planck pentru fizică gravitațională din Germania, care a lucrat și la variații de respingere.
Graham, Kaplan și Rahendran și-au prezentat ideea de revenire non-singulară într-o amprentă pe arxiv.org în septembrie 2017. Ei și-au început munca întrebând dacă faza anterioară de contracție din istoria universului ar putea explica sensul constantei cosmologice - un număr izbitor de mic, care determină cantitatea de energie întunecată cusută în țesătura spațiului-timp, energia care propulsează expansiunea accelerată a universului.
Lucrând la partea cea mai grea - revenire - trio-ul a exploatat o a doua lacună, în mare măsură uitată, în teoremele de singularitate. Ei s-au inspirat din modelul ciudat al universului propus de logicianul Kurt Gödel în 1949, când el și Einstein lucrau la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton. Gödel a folosit legile relativității generale pentru a crea o teorie a unui univers rotativ, a cărei rotație a împiedicat-o să se prăbușească gravitațional, în același mod în care orbita Pământului o împiedică să cadă pe Soare. Gödel a subliniat în special faptul că universul său rotativ a permis „curbe de timp închise”, adică, de fapt, bucle de timp. Până la moartea sa, a crezut că universul a rotit exact așa cum sugerează modelul său. Oamenii de știință știu astăzi că nu este cazul;în caz contrar, unele direcții și ordonarea în spațiu ar fi preferabile altora. Dar Graham și compania au meditat dimensiuni spațiale învolburate care ar putea exista în spațiu, cum ar fi cele șase dimensiuni suplimentare postulate de teoria corzilor. Un univers în scădere ar putea roti în aceste direcții?
Imaginează-ți că există doar una dintre aceste dimensiuni în plus răsucite, un cerc minuscul în fiecare punct al spațiului. După cum spune Graham, „în fiecare punct al spațiului există o direcție suplimentară în care te poți deplasa, cea de-a patra dimensiune dimensională, dar poți parcurge doar o distanță scurtă și să te întorci acolo unde ai început”. Dacă există cel puțin trei dimensiuni compacte suplimentare, atunci când universul se contractă, materia și energia pot începe să se rotească în ele, iar dimensiunile în sine se vor învârti cu materie și energie. O rotire în dimensiuni suplimentare poate iniția brusc o revenire. „Toate aceste lucruri care ar fi trebuit să se prăbușească într-o singularitate nu vor ajunge acolo din cauza rotației în dimensiuni suplimentare”, spune Graham. „Toată această substanță a trebuit să se prăbușească la un moment dat,dar în schimb va zbura”.
Munca oamenilor de știință a atras atenția oamenilor din afara cercului obișnuit al cosmologilor cu revenire. Sean Carroll, fizician teoretic la Institutul Tehnologic din California, este sceptic în legătură cu ea, dar numește ideea în sine „foarte inteligentă”. El consideră că este important să se dezvolte alternative la istoria tradițională a inflației pentru a înțelege cât de bine se va compara teoria inflației - mai ales atunci când sunt lansate telescoapele de generație viitoare. De asemenea, consideră că, dacă o teorie alternativă are chiar șanse de succes de 5%, merită testată. Iar această lucrare nu face excepție.
Ilya Khel
