Cykliczny model Wszechświata: degeneracja materii zachodzi w nieskończoność

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Na początku XXI wieku dwóch fizyków z Princeton University zaproponowało model kosmologiczny, zgodnie z którym Wielki Wybuch nie jest wydarzeniem wyjątkowym, ale czasoprzestrzeń istniała na długo przed narodzinami wszechświata.

W modelu cyklicznym wszechświat przechodzi przez nieskończony, samopodtrzymujący się cykl. W latach trzydziestych Albert Einstein wysunął ideę, że wszechświat może doświadczać niekończącego się cyklu wielkich wybuchów i dużych kompresji. Ekspansja naszego wszechświata może być wynikiem załamania się poprzedniego wszechświata. W ramach tego modelu możemy powiedzieć, że Wszechświat odrodził się ze śmierci swojego poprzednika. Jeśli tak, to Wielki Wybuch nie był czymś wyjątkowym, to tylko jedna niewielka eksplozja wśród nieskończonej liczby innych. Teoria cykliczności niekoniecznie zastępuje teorię Wielkiego Wybuchu, raczej stara się odpowiedzieć na inne pytania: na przykład, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem i dlaczego Wielki Wybuch doprowadził do okresu gwałtownej ekspansji?

Jeden z nowych cyklicznych modeli Wszechświata został zaproponowany przez Paula Steinhardta i Neila Turoka w 2001 roku. Steinhardt opisał ten model w swoim artykule zatytułowanym The Cyclic Model of the Univers. W teorii strun membrana lub „brana” to obiekt, który istnieje w wielu wymiarach. Według Steinhardta i Turoka trzy wymiary przestrzenne, które widzimy, odpowiadają tym branom. Dwie brany 3D mogą istnieć równolegle, oddzielone dodatkowym, ukrytym wymiarem. Te brany – można je traktować jako metalowe płytki – mogą poruszać się wzdłuż tego dodatkowego wymiaru i zderzać się ze sobą, tworząc Wielki Wybuch, a zatem wszechświaty (takie jak nasz). Kiedy się zderzają, wydarzenia rozwijają się zgodnie ze standardowym modelem Wielkiego Wybuchu: powstaje gorąca materia i promieniowanie, następuje gwałtowna inflacja, a potem wszystko się ochładza – i powstają takie struktury, jak galaktyki, gwiazdy i planety. Jednak Steinhardt i Turok twierdzą, że zawsze istnieje jakaś interakcja między tymi branami, które nazywają międzybranami: przyciąga je do siebie, powodując ponowne zderzenie i kolejny Wielki Wybuch.

Model Steinhardta i Turoka podważa jednak niektóre założenia modelu Wielkiego Wybuchu. Na przykład, według nich, Wielki Wybuch nie był początkiem przestrzeni i czasu, ale raczej przejściem z wcześniejszej fazy ewolucji. Jeśli mówimy o modelu Wielkiego Wybuchu, to mówi, że to wydarzenie oznaczało natychmiastowy początek przestrzeni i czasu jako takiego. Ponadto w tym cyklu zderzających się bran wielkoskalowa struktura Wszechświata musi być określona przez fazę kompresji: to znaczy, zanim się zderzą i nastąpi kolejny Wielki Wybuch. Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu wielkoskalową strukturę Wszechświata wyznacza okres gwałtownej ekspansji (inflacji), który nastąpił wkrótce po wybuchu. Co więcej, model Wielkiego Wybuchu nie przewiduje, jak długo wszechświat będzie istniał, a w modelu Steinhardta czas trwania każdego cyklu wynosi około biliona lat.

Zaletą cyklicznego modelu Wszechświata jest to, że w przeciwieństwie do modelu Wielkiego Wybuchu może wyjaśniać tak zwaną stałą kosmologiczną. Wielkość tej stałej jest bezpośrednio związana z przyspieszoną ekspansją Wszechświata: wyjaśnia, dlaczego przestrzeń rozszerza się tak szybko. Z obserwacji wynika, że wartość stałej kosmologicznej jest bardzo mała. Do niedawna sądzono, że jego wartość jest o 120 rzędów wielkości mniejsza niż przewidywała standardowa teoria Wielkiego Wybuchu. Ta różnica między obserwacją a teorią od dawna jest jednym z największych problemów współczesnej kosmologii. Jednak nie tak dawno uzyskano nowe dane dotyczące ekspansji Wszechświata, zgodnie z którymi rozszerza się on szybciej niż wcześniej sądzono. Pozostaje czekać na nowe obserwacje i potwierdzenie (lub obalanie) już uzyskanych danych.

Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla z 1979 roku, próbuje wyjaśnić różnicę między obserwowaniem a przewidywaniem modelu przy użyciu tak zwanej zasady antropicznej. Według niego wartość stałej kosmologicznej jest losowa i różni się w różnych częściach Wszechświata. Nie powinno nas dziwić, że żyjemy na tak rzadkim obszarze, gdzie obserwujemy niewielką wartość tej stałej, ponieważ tylko przy tej wartości mogą rozwijać się gwiazdy, planety i życie. Niektórzy fizycy nie są jednak usatysfakcjonowani tym wyjaśnieniem ze względu na brak dowodów na to, że wartość ta jest inna w innych regionach obserwowalnego Wszechświata.

Podobny model opracował amerykański fizyk Larry Abbott w latach 80. XX wieku. Jednak w jego modelu spadek stałej kosmologicznej do niskich wartości był tak długi, że cała materia we Wszechświecie w takim okresie rozproszyłaby się w przestrzeni, pozostawiając ją w rzeczywistości pustą. Według cyklicznego modelu Wszechświata Steinhardta i Turoka, przyczyną tak małej wartości stałej kosmologicznej jest to, że początkowo była bardzo duża, ale z czasem, z każdym nowym cyklem, malała. Innymi słowy, z każdą wielką eksplozją ilość materii i promieniowania we Wszechświecie „zeruje się”, ale nie stała kosmologiczna. Przez wiele cykli jego wartość spadała i dzisiaj obserwujemy dokładnie taką wartość (5,98 x 10-10 J/m3).

W jednym z wywiadów Neil Turok mówił o swoim i Steinhardta modelu cyklicznego wszechświata w następujący sposób:

„Zaproponowaliśmy mechanizm, w którym teoria superstrun i M-teoria (nasze najlepiej połączone teorie grawitacji kwantowej) pozwalają wszechświatowi przejść przez Wielki Wybuch. Aby jednak zrozumieć, czy nasze założenie jest w pełni spójne, potrzebne są dalsze prace teoretyczne.”

Naukowcy mają nadzieję, że wraz z rozwojem technologii pojawi się okazja do przetestowania tej teorii wraz z innymi. Tak więc, zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym (ΛCDM), krótko po Wielkim Wybuchu, który wypełnił wszechświat falami grawitacyjnymi, nastąpił okres znany jako inflacja. W 2015 roku zarejestrowano sygnał fali grawitacyjnej, którego kształt zbiegł się z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności dla połączenia dwóch czarnych dziur (GW150914). W 2017 roku fizycy Kip Thorne, Rainer Weiss i Barry Barish otrzymali za to odkrycie Nagrodę Nobla. Również później zarejestrowano fale grawitacyjne pochodzące z połączenia dwóch gwiazd neutronowych (GW170817). Jednak fale grawitacyjne z kosmicznej inflacji nie zostały jeszcze zarejestrowane. Ponadto Steinhardt i Turok zauważają, że jeśli ich model jest poprawny, to takie fale grawitacyjne będą zbyt małe, aby można je było „wykryć”.