Universul a avut un început. Dar de unde a început? Ce ai devenit la început? Știm că totul a început cu o expansiune destul de rapidă și s-a încheiat cu apariția unui număr mare de galaxii formate din particule mici. Dar ce a venit înainte de asta? Care erau legile fizicii când a început totul? Fizicienii celebri James Hartl și Stephen Hawking au oferit mai multe răspunsuri la aceste întrebări în urmă cu câteva decenii. O nouă lucrare a unui alt grup de fizicieni a analizat interpretarea populară a lui Hawking și Hartle a geometriei Big Bang și a avut probleme. Aceste rezultate pun în lumină problema începutului universului. Un nou obstacol pe care toate teoriile viitorului vor trebui să le depășească.
„Am încercat să facem un calcul mai riguros și am obținut o soluție diferită”, spune Job Feldbrügge, un student absolvent rezident la Perimeter Institute. „Teoria pe care o folosim aruncă o nouă lumină asupra teoriei existente și arată că este posibil să nu funcționeze așa cum ne-am așteptat”.
Oamenii de știință încearcă, de obicei, să înțeleagă începutul universului uitându-se la legile gravitației lui Einstein, numite relativitate generală și jucându-le înapoi. La urma urmei, vor să ajungă la punctul în care universul era foarte mic. Dar cele mai interesante întrebări apar despre cum arăta tânărul univers, era suficient de mic pentru a respecta legile mecanicii cuantice, care guvernează cele mai mici particule, atomi și fotoni.
Există mai multe moduri de a începe un univers ca al nostru. Poate, credeau Hawking și Hartle, acest univers condensat era doar un punct din spațiu cu o stare cuantică specială, așa-numita funcție de undă, care descrie totul în limbajul mecanicii cuantice. Apoi a venit timpul. Filosofia și religia trebuie să vorbească mult pe această temă, dar matematicienii au nevoie doar de stilou și hârtie. Acest univers asemănător unui punct a evoluat din matematica relativității generale cu proprietățile originale ale mecanicii cuantice încorporate în structura sa. Astfel, aceste mici fluctuații aleatorii de energie în spațiu ar trebui să se transforme, în cursul expansiunii rapide - inflația - în diferențe de densitate pe scară largă pe care le observăm în Universul modern, cu galaxii și goluri. Teoria lui Hawking și Hartle a fost una dintre mai multe modalități de a marca începutul unui univers fără o singularitate, un punct de volum zero și o masă infinită care nu avea prea mult sens. Alte idei, precum cele sugerate de Alexander Vilenkin, nu implicau această singularitate inițială.
Un articol nou apărut recent pe serverul de preimprimare arXiv introduce o problemă. Calculând în matematica lui Hawking, Hartles și Vilenkin, noua echipă nu a obținut micile fluctuații cuantice necesare pentru a crea universul de astăzi. În schimb, aceste fluctuații sunt gigantice și creează un univers complet diferit de al nostru.
„Calculele pe care le-am făcut conduc la unde gravitaționale puternice după Big Bang”, spune Feldbrugge - fluctuații uriașe în forma spațiului-timp în sine. „Nu ar putea duce la un univers așa cum este astăzi. Calculele contrazic ceea ce vedem.
Hartl nu este deosebit de îngrijorat de rezultatele echipei Feldbrugge. „În cosmologie, avem încă prea puține date în comparație cu ceea ce ar fi putut fi”, spune el. "Deci, facem tot posibilul pentru a susține piesa de teorie care se potrivește cel mai bine observațiilor noastre." El vede noua lucrare ca o altă încercare de a întoarce jocul oferind mai multe informații și o cale matematică diferită pe care oamenii de știință o pot urma. „Cercetătorii au dreptul să aleagă dacă urmează această idee sau alta.”
De asemenea, echipa sa a publicat recent o altă lucrare care își revizuiește propria matematică și demonstrează de ce teoria sa funcționează încă.
Video promotional:
Cu toate acestea, matematica lui Feldbrugge și a echipei sale par să arate că aspectul lin al unui univers fără nicio singularitate „nu este o opțiune”. Matematica lor contestă direct Hartle și Hawking.
Legarea mecanicii cuantice și a relativității generale pentru a explica începutul universului nu este nici nouă, nici aproape rezolvată. De fapt, aceasta este una dintre principalele probleme pe care fizicienii teoretici încearcă să le rezolve, având în vedere importanța sa pentru înțelegerea originii universului, când ambele seturi de legi sunt aplicate pe aceeași scară și importanța pentru găurile negre în care gravitația este atât de puternică încât nu o poate părăsi.
Dar cel mai important, Feldbrugge nu crede că un univers care a început cu legile mecanicii cuantice și relativității ar putea crea mici fluctuații care ar duce la un univers ca al nostru - el crede că trebuie să existe altceva. "Nu este clar care soluție va fi opțiunea finală", spune el.
Opiniile fizicienilor cu privire la această problemă sunt foarte diferite. Paul Steinhardt, profesor de fizică la Universitatea Princeton, spune că există deja modalități alternative de a evita problemele într-un nou loc de muncă, precum și alte plângeri cu privire la modelul Hawking-Hartle. Acest așa-numit model nelimitat necesită anumite soluții matematice pentru a crea un univers ca al nostru.
„Care este alternativa? O săritură fără singularitate”, spune el, referindu-se la un model pe care îl dezvoltă alături de cosmologul din Princeton, Anna Idjas. Conform acestui model, universul se prăbușește și apoi se desfășoară în propriul nostru univers, cu mult înainte ca cineva să poată începe să se gândească la efectele mecanicii cuantice.
Sabine Hossenfelder, cercetător la Institutul de Studii Avansate din Frankfurt, nu este sigură de noile rezultate. „Singurul lucru pe care îl pot concluziona este că nu am știut cum a început universul înainte ca această lucrare să fie scrisă. Și nu am știut-o după publicarea acestei lucrări”. Teoreticienii iau în serios matematica și au făcut aceste calcule cu timpul și spațiul cu mult înainte ca telescoapele să le confirme. Singura modalitate de a ști cu siguranță ce se întâmplă este prin experimentare.
Astăzi, majoritatea acestor teorii pot fi confirmate sau infirmate de observațiile celei mai vechi lumini care a ajuns până la noi, fundalul cosmic cu microunde. Oamenii de știință speră că ideile din teoriile lor vor ajuta la izolarea semnăturilor importante de aceste date.
Este posibil să verificăm activitatea lui Feldbrugge și a echipei sale? Abia încep. Evident, va dura mult timp pentru a verifica. Oamenii de știință trebuie să creeze în cele din urmă un univers care seamănă cu al nostru. Dar detaliile acestui proces nu au fost încă stabilite.
ILYA KHEL
