Este posibil ca titlul acestui articol să nu sune ca o glumă inteligentă. Conform conceptului cosmologic general acceptat, teoria Big Bang-ului, Universul nostru a apărut dintr-o stare extremă a unui vid fizic generat de o fluctuație cuantică. În această stare, nici timpul, nici spațiul nu existau (sau erau încurcați în spuma spațiu-timp) și toate interacțiunile fizice fundamentale erau fuzionate împreună. Mai târziu s-au despărțit și au dobândit o existență independentă - mai întâi gravitația, apoi o interacțiune puternică și abia apoi - slabă și electromagnetică.
Să ne întoarcem la știință
Teoria Big Bang-ului este de încredere de majoritatea absolută a oamenilor de știință care studiază istoria timpurie a Universului nostru. Într-adevăr explică multe și nu contrazice în niciun fel datele experimentale. Recent, însă, are un concurent în fața unei noi teorii ciclice, bazele căreia au fost dezvoltate de doi fizicieni extraclasi - directorul Institutului de Științe Teoretice de la Universitatea Princeton Paul Steinhardt și laureatul Medaliei Maxwell și prestigiosul premiu TED internațional Neil Turok, director al Institutului canadian de studii avansate în teorie. Fizică (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Cu ajutorul profesorului Steinhardt, Mecanica Populară a încercat să vorbească despre teoria ciclică și motivele apariției acesteia.
Momentul premergător evenimentelor, când „prima gravitație, apoi o interacțiune puternică și abia apoi - slabă și electromagnetică.” A apărut, este obișnuit să se desemneze timpul zero, t = 0, dar aceasta este o convenție pură, un tribut adus formalismului matematic. Conform teoriei standard, fluxul continuu de timp a început numai după ce forța gravitațională a devenit independentă. Acest moment este de obicei atribuit valorii t = 10-43 s (mai exact, 5,4x10-44 s), care se numește timpul Planck. Teoriile fizice moderne pur și simplu nu sunt capabile să funcționeze în mod semnificativ cu perioade mai scurte de timp (se crede că acest lucru necesită o teorie cuantică a gravitației, care nu a fost încă creată). În contextul cosmologiei tradiționale, nu are sens să vorbim despre ceea ce s-a întâmplat înainte de momentul inițial în timp,deoarece timpul, în înțelegerea noastră, pur și simplu nu exista atunci.
Conceptul de inflație este o parte esențială a teoriei cosmologice standard (vezi bara laterală). După sfârșitul inflației, gravitația a intrat în sine și Universul a continuat să se extindă, dar cu o rată în scădere. Această evoluție a durat 9 miliarde de ani, după care a intrat în acțiune un alt câmp antigravitațional de natură încă necunoscută, care se numește energie întunecată. A adus din nou Universul într-un mod de expansiune exponențială, care, se pare, ar trebui să rămână în timpurile viitoare. Trebuie remarcat faptul că aceste concluzii se bazează pe descoperiri astrofizice făcute la sfârșitul secolului trecut, la aproape 20 de ani de la apariția cosmologiei inflaționiste.
Interpretarea inflaționistă a Big Bang-ului a fost propusă pentru prima dată în urmă cu aproximativ 30 de ani și a fost rafinată de multe ori de atunci. Această teorie a permis rezolvarea mai multor probleme fundamentale cu care cosmologia anterioară nu a reușit să facă față. De exemplu, ea a explicat de ce trăim într-un univers cu o geometrie euclidiană plană - conform ecuațiilor clasice Friedmann, exact asta ar trebui să facă cu expansiunea exponențială. Teoria inflaționistă a explicat de ce materia cosmică are granularitate la o scară care nu depășește sute de milioane de ani lumină și este distribuită uniform pe distanțe mari. Ea a oferit, de asemenea, o interpretare a eșecului oricărei încercări de a detecta monopoli magnetici, particule foarte masive cu un singur pol magnetic, despre care se crede că sunts-au născut din abundență înainte de începerea inflației (inflația s-a întins în spațiu, astfel încât densitatea inițial ridicată a monopolurilor a fost redusă la aproape zero și, prin urmare, instrumentele noastre nu le pot detecta).
Video promotional:
La scurt timp după apariția modelului inflaționist, mai mulți teoreticieni au realizat că logica sa internă nu contrazice ideea nașterii multiple permanente a tot mai multe universuri noi. Într-adevăr, fluctuațiile cuantice, precum cele pe care le datorăm existenței lumii noastre, pot apărea în orice cantitate, cu condiția ca condițiile să fie corecte. Este posibil ca universul nostru să fi părăsit zona de fluctuație formată în lumea predecesorului. În același mod, se poate presupune că cândva și undeva în propriul nostru Univers se va forma o fluctuație, care va „arunca” un univers tânăr de un cu totul alt fel, capabil și de „procreație” cosmologică. Există modele în care astfel de universuri de copii apar continuu, se separă de părinți și își găsesc propriul loc. Mai mult, nu este deloc necesar ca aceleași legi fizice să fie stabilite în astfel de lumi. Toate aceste lumi sunt „cuibărite” într-un singur continuum spațiu-timp, dar sunt atât de distanțate încât nu simt prezența celuilalt în niciun fel. În general, conceptul de inflație permite - mai mult, obligă! - să creadă că în gigacosmosul gigantic există multe universuri izolate cu aranjamente diferite.
Fizicienilor teoretici le place să vină cu alternative chiar și la cele mai general acceptate teorii. Modelul inflaționist al Big Bang-ului are și concurenți. Nu au primit un sprijin larg, dar au și au proprii adepți. Teoria lui Steinhardt și a lui Turok nu este prima și cu siguranță nu ultima. Cu toate acestea, astăzi a fost dezvoltat mai detaliat decât celelalte și explică mai bine proprietățile observate ale lumii noastre. Are mai multe versiuni, dintre care unele se bazează pe teoria cuantică a șirurilor și spații multidimensionale, în timp ce altele se bazează pe teoria tradițională a câmpului cuantic. Prima abordare oferă imagini mai vii ale proceselor cosmologice, așa că ne vom opri asupra ei.
Cea mai avansată versiune a teoriei șirurilor este cunoscută sub numele de teoria M. Ea susține că lumea fizică are 11 dimensiuni - zece spațiale și una temporală. Spațiile de dimensiuni mai mici, așa-numitele brane, plutesc în ea. Universul nostru este doar una dintre aceste brane, cu trei dimensiuni spațiale. Este umplut cu diverse particule cuantice (electroni, quark, fotoni etc.), care sunt de fapt șiruri vibrante deschise cu o singură dimensiune spațială - lungimea. Capetele fiecărui șir sunt fixate ferm în interiorul unei brane tridimensionale, iar șirul nu poate părăsi brana. Dar există și șiruri închise care pot migra în afara branurilor - acestea sunt gravitonii, cuantele câmpului gravitațional.
Cum explică teoria ciclică trecutul și viitorul universului? Să începem cu era actuală. Primul loc aparține acum energiei întunecate, care face ca universul nostru să se extindă exponențial, dublându-se periodic ca mărime. Drept urmare, densitatea materiei și a radiațiilor scade constant, curbura gravitațională a spațiului slăbește, iar geometria sa devine din ce în ce mai plană. În următorii trilioane de ani, dimensiunea universului se va dubla de aproximativ o sută de ori și se va transforma într-o lume aproape goală, complet lipsită de structuri materiale. Alături de noi este o altă brană tridimensională, separată de noi de o mică distanță în a patra dimensiune și, de asemenea, suferă o expansiune exponențială și o aplatizare similară. În tot acest timp, distanța dintre brane practic nu se schimbă.
Și apoi aceste grane paralele încep să convergă. Sunt împinse unul către celălalt de un câmp de forță, a cărui energie depinde de distanța dintre brane. Acum densitatea energetică a unui astfel de câmp este pozitivă, deci spațiul ambelor brane se extinde exponențial - prin urmare, acest câmp oferă efectul care se explică prin prezența energiei întunecate! Cu toate acestea, acest parametru scade treptat și într-un trilion de ani va cădea la zero. Ambele branuri vor continua să se extindă oricum, dar nu exponențial, ci într-un ritm foarte lent. În consecință, în lumea noastră, densitatea particulelor și a radiațiilor va rămâne aproape zero, iar geometria va rămâne plană.
Dar sfârșitul vechii povești este doar un preludiu la următorul ciclu. Branurile se deplasează unul către celălalt și, în cele din urmă, se ciocnesc. În acest stadiu, densitatea energetică a câmpului interprofesional scade sub zero și începe să acționeze ca gravitația (amintiți-vă că gravitația are energie potențială negativă!). Când branurile sunt foarte apropiate, câmpul interbran începe să amplifice fluctuațiile cuantice în fiecare punct al lumii noastre și le transformă în deformări macroscopice ale geometriei spațiale (de exemplu, cu o milionime de secundă înainte de coliziune, dimensiunea calculată a acestor deformări ajunge la câțiva metri). După coliziune, în aceste zone se eliberează partea leului din energia cinetică eliberată în timpul impactului. Ca urmare, acolo apare cea mai fierbinte plasmă cu o temperatură de aproximativ 1023 grade. Aceste regiuni devin noduri gravitaționale locale și se transformă în embrioni ale viitoarelor galaxii.
O astfel de coliziune înlocuiește Big Bang-ul cosmologiei inflaționiste. Este foarte important ca toată materia nou formată cu energie pozitivă să apară datorită energiei negative acumulate a câmpului interprofesional, prin urmare, legea conservării energiei nu este încălcată.
Cum se comportă un astfel de câmp în acest moment crucial? Înainte de coliziune, densitatea energiei sale atinge un nivel minim (și negativ), apoi începe să crească, iar la coliziune devine zero. Branurile se resping apoi reciproc și încep să se disperseze. Densitatea energiei inter-ramificate trece prin evoluția inversă - din nou devine negativă, zero, pozitivă. Brana, îmbogățită cu materie și radiații, se extinde mai întâi cu o viteză descrescătoare sub efectul de frânare al propriei sale gravitații, iar apoi trece din nou la expansiunea exponențială. Noul ciclu se încheie ca cel anterior - și așa mai departe ad infinitum. Ciclurile care le precedă pe ale noastre s-au produs și în trecut - în acest model, timpul este continuu, deci trecutul există dincolo de cei 13,7 miliarde de ani care au trecut de la ultima îmbogățire a branei noastre cu materie și radiații!Fie că au avut vreun început, teoria este tăcută.
Teoria ciclică explică proprietățile lumii noastre într-un mod nou. Are o geometrie plană, deoarece la sfârșitul fiecărui ciclu se întinde excesiv și se deformează ușor doar înainte de a începe un nou ciclu. Fluctuațiile cuantice, care devin precursorii galaxiilor, apar haotic, dar în medie uniform - prin urmare, spațiul cosmic este umplut cu aglomerări de materie, dar la distanțe foarte mari este destul de omogen. Nu putem detecta monopolurile magnetice pur și simplu pentru că temperatura maximă a plasmei nou-născute nu a depășit 1023 K și sunt necesare energii mult mai mari pentru apariția unor astfel de particule - de ordinul 1027 K.
Teoria ciclică există în mai multe versiuni, la fel și teoria inflației. Totuși, potrivit lui Paul Steinhardt, diferențele dintre ele sunt pur tehnice și interesante doar pentru specialiști, conceptul general rămâne neschimbat: „În primul rând, în teoria noastră nu există niciun moment al începutului lumii, nici o singularitate. Există faze periodice ale creației intense de materie și radiații, fiecare dintre acestea, dacă se dorește, poate fi numită Big Bang. Dar oricare dintre aceste faze nu marchează apariția unui nou univers, ci doar o tranziție de la un ciclu la altul. Atât spațiul, cât și timpul există atât înainte, cât și după oricare dintre aceste cataclisme. Prin urmare, este destul de firesc să ne întrebăm care a fost starea de fapt cu 10 miliarde de ani înainte de ultimul Big Bang, din care se numără istoria universului.
A doua diferență cheie este natura și rolul energiei întunecate. Cosmologia inflaționistă nu a prezis tranziția unei expansiuni încetinite a Universului la una accelerată. Și când astrofizicienii au descoperit acest fenomen observând exploziile supernovei îndepărtate, cosmologia standard nici nu știa ce să facă în legătură cu acesta. Ipoteza energiei întunecate a fost prezentată pur și simplu pentru a lega cumva rezultatele paradoxale ale acestor observații cu teoria. Iar abordarea noastră este mult mai bine sigilată de logica internă, deoarece avem energie întunecată inițial și această energie asigură alternanța ciclurilor cosmologice. " Totuși, așa cum remarcă Paul Steinhardt, teoria ciclică are și puncte slabe: „Nu am fost încă capabili să descriem convingător procesul de coliziune și revenire a branelor paralele care are loc la începutul fiecărui ciclu. Alte aspecte ale teoriei ciclice sunt mult mai bine dezvoltate, dar mai sunt încă multe ambiguități de eliminat."
Dar chiar și cele mai frumoase modele teoretice au nevoie de verificări experimentale. Poate Cosmologia ciclică să fie confirmată sau respinsă prin observații? „Atât teoriile inflaționiste, cât și cele ciclice prezic existența undelor gravitaționale relicve”, explică Paul Steinhardt. - În primul caz, ele decurg din fluctuațiile cuantice primare, care sunt pătate în spațiu în timpul inflației și generează oscilații periodice ale geometriei sale - și acestea, conform teoriei generale a relativității, sunt unde gravitaționale. În scenariul nostru, fluctuațiile cuantice sunt, de asemenea, cauza principală a unor astfel de unde - aceleași care sunt amplificate de coliziunile branurilor. Calculele au arătat că fiecare mecanism generează unde cu un spectru specific și polarizare specifică. Aceste unde erau obligate să lase amprente asupra radiației cosmice cu microunde, care este o sursă neprețuită de informații despre spațiul timpuriu. Până în prezent, astfel de urme nu au fost găsite, dar, cel mai probabil, acest lucru se va face în următorul deceniu. În plus, fizicienii se gândesc deja la înregistrarea directă a undelor gravitaționale relicve folosind nave spațiale, care va apărea peste două-trei decenii."
O altă diferență, potrivit profesorului Steinhardt, este distribuția temperaturii radiației de microunde de fundal: „Această radiație provenită din diferite părți ale cerului nu este complet uniformă ca temperatură, are zone din ce în ce mai puțin încălzite. La nivelul preciziei măsurătorilor furnizate de echipamentele moderne, numărul zonelor calde și reci este aproximativ același, ceea ce coincide cu concluziile ambelor teorii - atât inflaționiste, cât și ciclice. Cu toate acestea, aceste teorii prezic diferențe mai subtile între zone. În principiu, vor putea identifica observatorul spațial european „Planck” lansat anul trecut și alte nave spațiale noi. Sper că rezultatele acestor experimente vor ajuta la alegerea între teoriile inflaționiste și cele ciclice. Dar se poate întâmpla în acest fel,că situația va rămâne incertă și niciuna dintre teorii nu va primi un sprijin experimental neechivoc. Ei bine, atunci va trebui să vin cu ceva nou.
Conform modelului inflaționist, la scurt timp după naștere, Universul s-a extins exponențial pentru o perioadă foarte scurtă de timp, dublându-și dimensiunile liniare de multe ori. Oamenii de știință cred că începutul acestui proces a coincis în timp cu separarea interacțiunii puternice și a avut loc la un timp de 10-36 s. Această expansiune (cu mâna ușoară a fizicianului teoretic american Sidney Coleman, a fost numită inflație cosmologică) a fost extrem de scurtă (de până la 10-34 s), dar a mărit dimensiunile liniare ale Universului de cel puțin 1030-1050 de ori și, probabil, mult mai mult. Conform celor mai multe scenarii specifice, inflația a fost lansată de un câmp scalar cuantic antigravitațional, a cărui densitate de energie a scăzut treptat și a ajuns în cele din urmă la un nivel minim. Înainte ca acest lucru să se întâmple, câmpul a început să oscileze rapid,generând particule elementare. Ca rezultat, până la sfârșitul fazei inflaționiste, Universul a fost umplut cu o plasmă superhot formată din quarcuri liberi, gluoni, leptoni și cuante de energie mare de radiații electromagnetice.
O alternativă radicală
În anii 1980, profesorul Steinhardt a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea teoriei standard Big Bang. Cu toate acestea, acest lucru nu l-a împiedicat să caute o alternativă radicală la teoria, în care fusese investită atât de multă muncă. Așa cum a spus el însuși Paul Steinhardt la Mecanica populară, ipoteza inflației dezvăluie multe mistere cosmologice, dar acest lucru nu înseamnă că nu are rost să caut alte explicații: „La început, am fost doar interesat să încerc să înțeleg proprietățile de bază ale lumii noastre fără să recurg la inflație. Mai târziu, când am aprofundat această problemă, am devenit convins că teoria inflaționistă nu este deloc la fel de perfectă pe cât susțin susținătorii săi. Când tocmai a fost creată cosmologia inflaționistă, am sperat că va explica trecerea de la starea originală haotică a materiei la Universul actual ordonat. A făcut-o - dar a mers mult mai departe.
Logica internă a teoriei cerea să recunoască faptul că inflația creează în mod constant un număr infinit de lumi. Acest lucru ar fi în regulă dacă dispozitivul lor fizic ar fi copiat al nostru, dar pur și simplu nu funcționează. De exemplu, cu ajutorul ipotezei inflaționiste, a fost posibil să explicăm de ce trăim într-o lume euclidiană plană, dar la urma urmei, majoritatea celorlalte universuri nu vor avea cu siguranță aceeași geometrie. Pe scurt, construiam o teorie care să ne explice propria lume și aceasta a scăpat de sub control și a dat naștere unei nenumărate varietăți de lumi exotice. Această stare de fapt a încetat să mi se potrivească. În plus, teoria standard nu este în măsură să explice natura stării anterioare, care a precedat expansiunea exponențială. În acest sens, este la fel de incompletă ca și cosmologia preinflaționistă. In cele din urma,ea este incapabilă să spună ceva despre natura energiei întunecate, care a condus expansiunea universului nostru de 5 miliarde de ani.
