Ciklinis Visatos modelis: materijos degeneracija vyksta be galo

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

2000-ųjų pradžioje du fizikai iš Prinstono universiteto pasiūlė kosmologinį modelį, pagal kurį Didysis sprogimas nėra unikalus įvykis, tačiau erdvėlaikis egzistavo dar gerokai prieš gimstant visatai.

Cikliniame modelyje visata praeina begalinį savarankišką ciklą. 1930-aisiais Albertas Einšteinas iškėlė idėją, kad visata gali patirti nesibaigiantį didžiųjų sprogimų ir didelių suspaudimų ciklą. Mūsų visatos plėtimasis gali būti ankstesnės visatos žlugimo rezultatas. Šio modelio rėmuose galime pasakyti, kad Visata atgimė po savo pirmtako mirties. Jei taip, tai Didysis sprogimas nebuvo kažkas unikalaus, tai tik vienas nedidelis sprogimas tarp daugybės kitų. Ciklinė teorija nebūtinai pakeičia Didžiojo sprogimo teoriją; greičiau ji bando atsakyti į kitus klausimus: pavyzdžiui, kas atsitiko prieš Didįjį sprogimą ir kodėl Didysis sprogimas paskatino sparčios plėtros laikotarpį?

Vieną iš naujų ciklinių Visatos modelių 2001 metais pasiūlė Paulas Steinhardtas ir Neilas Turokas. Steinhardtas šį modelį aprašė savo straipsnyje, kuris vadinosi „Ciklinis Visatos modelis“. Stygų teorijoje membrana arba „brana“yra objektas, egzistuojantis keliais matmenimis. Pasak Steinhardto ir Turoko, trys mūsų matomi erdviniai matmenys atitinka šias branas. Lygiagrečiai gali egzistuoti dvi 3D branos, atskirtos papildomu paslėptu matmeniu. Šios branos – jas galima laikyti metalinėmis plokštėmis – gali judėti šia papildoma dimensija ir susidurti viena su kita, sukurdamos Didįjį sprogimą, taigi ir visatas (kaip mūsų). Jiems susidūrus įvykiai klostosi pagal standartinį Didžiojo sprogimo modelį: susidaro karšta medžiaga ir radiacija, greita infliacija, tada viskas atšąla – ir susidaro tokios struktūros kaip galaktikos, žvaigždės ir planetos. Tačiau Steinhardtas ir Turokas teigia, kad tarp šių branų visada yra tam tikra sąveika, kurią jie vadina tarpbraninėmis: tai sutraukia jas, todėl jos vėl susiduria ir sukelia kitą Didįjį sprogimą.

Vis dėlto Steinhardto ir Turoko modelis meta iššūkį kai kurioms Didžiojo sprogimo modelio prielaidoms. Pavyzdžiui, anot jų, Didysis sprogimas buvo ne erdvės ir laiko pradžia, o greičiau perėjimas iš ankstesnės evoliucijos fazės. Jei mes kalbame apie Didžiojo sprogimo modelį, tai sako, kad šis įvykis pažymėjo tiesioginę erdvės ir laiko pradžią. Be to, šiame susidūrimo branų cikle plataus masto Visatos struktūrą turi lemti suspaudimo fazė: tai yra, tai įvyksta prieš joms susiduriant ir įvykstant kitam Didžiajam sprogimui. Remiantis Didžiojo sprogimo teorija, plataus masto visatos sandarą lemia greito plėtimosi (infliacijos) laikotarpis, kuris įvyko netrukus po sprogimo. Be to, Didžiojo sprogimo modelis nenumato, kiek ilgai egzistuos visata, o Steinhardto modelyje kiekvieno ciklo trukmė siekia apie trilijoną metų.

Geras dalykas cikliniame Visatos modelyje yra tai, kad, skirtingai nei Didžiojo sprogimo modelis, jis gali paaiškinti vadinamąją kosmologinę konstantą. Šios konstantos dydis tiesiogiai susijęs su pagreitėjusiu Visatos plėtimu: ji paaiškina, kodėl erdvė plečiasi taip sparčiai. Remiantis stebėjimais, kosmologinės konstantos reikšmė yra labai maža. Dar visai neseniai buvo manoma, kad jo vertė yra 120 dydžių mažesnė, nei prognozuota standartinėje Didžiojo sprogimo teorijoje. Šis stebėjimo ir teorijos skirtumas jau seniai buvo viena didžiausių šiuolaikinės kosmologijos problemų. Tačiau ne taip seniai buvo gauti nauji duomenys apie Visatos plėtimąsi, pagal kuriuos ji plečiasi greičiau, nei manyta anksčiau. Belieka laukti naujų pastebėjimų ir jau gautų duomenų patvirtinimo (ar paneigimo).

Stevenas Weinbergas, 1979 m. Nobelio premijos laureatas, bando paaiškinti skirtumą tarp modelio stebėjimo ir numatymo, naudodamasis vadinamuoju antropiniu principu. Pasak jo, kosmologinės konstantos reikšmė yra atsitiktinė ir skiriasi įvairiose Visatos dalyse. Neturėtume stebėtis, kad gyvename tokiame retame rajone, kur stebime nedidelę šios konstantos reikšmę, nes tik su šia verte gali vystytis žvaigždės, planetos ir gyvybė. Tačiau kai kurie fizikai nėra patenkinti šiuo paaiškinimu, nes trūksta įrodymų, kad ši vertė skiriasi kituose stebimos Visatos regionuose.

Panašų modelį devintajame dešimtmetyje sukūrė amerikiečių fizikas Larry Abbottas. Tačiau jo modelyje kosmologinės konstantos sumažėjimas iki žemų verčių buvo toks ilgas, kad per tokį laikotarpį visa Visatoje esanti medžiaga išsisklaidytų erdvėje, iš tikrųjų ji liktų tuščia. Remiantis Steinhardto ir Turoko cikliniu Visatos modeliu, priežastis, kodėl kosmologinės konstantos reikšmė tokia maža, yra ta, kad iš pradžių ji buvo labai didelė, tačiau laikui bėgant su kiekvienu nauju ciklu mažėjo. Kitaip tariant, su kiekvienu dideliu sprogimu materijos ir spinduliuotės kiekis Visatoje „nulinamas“, bet ne kosmologinė konstanta. Per daugelį ciklų jo vertė sumažėjo, ir šiandien mes stebime būtent šią vertę (5, 98 x 10-10 J / m3).

Viename interviu Neilas Turokas apie savo ir Steinhardto ciklinės visatos modelį kalbėjo taip:

„Mes pasiūlėme mechanizmą, pagal kurį superstygų teorija ir M teorija (mūsų geriausios kombinuotos kvantinės gravitacijos teorijos) leidžia visatai pereiti Didįjį sprogimą. Tačiau norint suprasti, ar mūsų prielaida yra visiškai nuosekli, reikia tolesnio teorinio darbo.

Mokslininkai tikisi, kad tobulėjant technologijoms atsiras galimybė išbandyti šią teoriją kartu su kitomis. Taigi, pagal standartinį kosmologinį modelį (ΛCDM), netrukus po Didžiojo sprogimo, kuris užpildė visatą gravitacinėmis bangomis, prasidėjo laikotarpis, vadinamas infliacija. 2015 metais buvo užfiksuotas gravitacinės bangos signalas, kurio forma sutapo su Bendrosios reliatyvumo teorijos prognoze dėl dviejų juodųjų skylių susijungimo (GW150914). 2017 metais fizikai Kipas Thorne'as, Raineris Weissas ir Barry Barishas už šį atradimą buvo apdovanoti Nobelio premija. Taip pat vėliau buvo užfiksuotos gravitacinės bangos, kylančios dėl dviejų neutroninių žvaigždžių (GW170817) susiliejimo. Tačiau gravitacinės bangos dėl kosminės infliacijos dar nebuvo užfiksuotos. Be to, Steinhardtas ir Turokas pažymi, kad jei jų modelis yra teisingas, tokios gravitacinės bangos bus per mažos, kad jas būtų galima „aptikti“.