Šī raksta nosaukums var neizklausīties kā gudrs joks. Saskaņā ar vispārpieņemto kosmoloģisko koncepciju, Lielā sprādziena teoriju, mūsu Visums radās no fiziskā vakuuma galējā stāvokļa, ko radīja kvantu svārstības. Šajā stāvoklī neeksistēja ne laiks, ne telpa (vai arī tie bija sapinušies telpas-laika putās), un visas fundamentālās fiziskās mijiedarbības tika sapludinātas kopā. Vēlāk viņi sadalījās un ieguva neatkarīgu eksistenci - vispirms gravitāciju, pēc tam spēcīgu mijiedarbību un tikai pēc tam - vāju un elektromagnētisku.
Atgriezīsimies pie zinātniski pamatota
Lielā sprādziena teorijai uzticas absolūtais vairākums zinātnieku, kas pēta mūsu Visuma agrīno vēsturi. Tas tiešām izskaidro daudz un nekādā veidā nav pretrunā ar eksperimentālajiem datiem. Tomēr nesen tam ir konkurents, ņemot vērā jaunu ciklisku teoriju, kuras pamatus izstrādāja divi ekstraklases fiziķi - Prinstonas Universitātes Teorētiskās zinātnes institūta direktors Pols Šteinhards un Maksvela medaļas un prestižās starptautiskās TED balvas laureāts Nīls Turoks, Kanādas teorētisko pētījumu institūta direktors. Fizika (Teorētiskās fizikas perimetra institūts). Ar profesora Šteinhardta palīdzību populārā mehānika mēģināja runāt par ciklisko teoriju un tās parādīšanās iemesliem.
Brīdis pirms notikumiem, kad “vispirms gravitācija, pēc tam spēcīga mijiedarbība un tikai pēc tam - vāja un elektromagnētiska.” Parādījās, parasti tiek apzīmēts kā nulles laiks, t = 0, bet tā ir tīra konvencija, veltījums matemātiskajam formālismam. Saskaņā ar standarta teoriju nepārtraukta laika plūsma sākās tikai pēc tam, kad gravitācijas spēks kļuva neatkarīgs. Šo brīdi parasti attiecina uz vērtību t = 10-43 s (precīzāk, 5,4x10-44 s), ko sauc par Plankas laiku. Mūsdienu fizikālās teorijas vienkārši nespēj jēgpilni strādāt ar īsākiem laika periodiem (tiek uzskatīts, ka tam nepieciešama kvantu gravitācijas teorija, kas vēl nav izveidota). Tradicionālās kosmoloģijas kontekstā nav jēgas runāt par to, kas notika pirms sākotnējā laika brīža,jo laiks mūsu izpratnē toreiz vienkārši nepastāvēja.
Inflācijas jēdziens ir būtiska kosmoloģiskās standarta teorijas sastāvdaļa (sk. Sānjoslu). Pēc inflācijas beigām gravitācija nonāca pati par sevi, un Visums turpināja paplašināties, taču ar samazinošu ātrumu. Šī evolūcija ilga 9 miljardus gadu, un pēc tam sāka darboties vēl viens vēl nezināma rakstura antigravitācijas lauks, ko sauc par tumšo enerģiju. Tas atkal ieveda Visumu eksponenciālas ekspansijas režīmā, kam, šķiet, vajadzētu palikt arī turpmākajos laikos. Jāatzīmē, ka šie secinājumi ir balstīti uz astrofiziskiem atklājumiem, kas veikti pagājušā gadsimta beigās, gandrīz 20 gadus pēc inflācijas kosmoloģijas parādīšanās.
Pirmo reizi Lielā sprādziena inflācijas interpretācija tika ierosināta apmēram pirms 30 gadiem, un kopš tā laika tā ir daudzkārt pilnveidota. Šī teorija ļāva atrisināt vairākas fundamentālas problēmas, ar kurām iepriekšējā kosmoloģija netika galā. Piemēram, viņa paskaidroja, kāpēc mēs dzīvojam Visumā ar plakanu Eiklida ģeometriju - saskaņā ar klasiskajiem Frīdmaņa vienādojumiem tas ir tieši tas, kas tam jādara ar eksponenciālu paplašināšanos. Inflācijas teorija ir izskaidrojusi, kāpēc kosmiskā viela ir detalizēta tādā mērogā, kas nepārsniedz simtiem miljonu gaismas gadu, un ir vienmērīgi sadalīta lielos attālumos. Viņa arī izskaidroja neveiksmi mēģinājumos atklāt magnētiskos monopolus, ļoti masīvas daļiņas ar vienu magnētisko polu, kas, domājams, irbija dzimuši pārpilnībā pirms inflācijas sākuma (inflācija tik ļoti izstiepa telpu, ka sākotnēji augstais monopolu blīvums tika samazināts līdz gandrīz nullei, un tāpēc mūsu instrumenti tos nevar noteikt).
Reklāmas video:
Drīz pēc inflācijas modeļa parādīšanās vairāki teorētiķi saprata, ka tā iekšējā loģika nav pretrunā ar domu par arvien jaunu un vairāku Visumu pastāvīgu daudzdzimšanu. Patiešām, kvantu svārstības, tāpat kā tās, kurām esam parādā mūsu pasauli, var notikt jebkurā daudzumā, ja ir piemēroti apstākļi. Nav izslēgts, ka mūsu Visums ir atstājis svārstību zonu, kas izveidojusies priekšgājēju pasaulē. Tādā pašā veidā var pieņemt, ka kaut kad un kaut kur mūsu pašu Visumā veidosies svārstības, kas “izpūtīs” jaunu, pavisam cita veida Visumu, kurš arī ir spējīgs uz kosmoloģisko “vairošanos”. Ir modeļi, kuros šādi bērnu Visumi rodas nepārtraukti, sazarojas no vecākiem un atrod savu vietu. Turklāt nebūt nav nepieciešams, lai šādās pasaulēs tiktu ieviesti vieni un tie paši fiziskie likumi. Visas šīs pasaules ir “ligzdotas” vienā telpas-laika kontinuumā, taču tās ir tik tālu viena no otras, ka nejūt viena otras klātbūtni. Kopumā inflācijas jēdziens ļauj - turklāt liek! - uzskatīt, ka gigantiskajā megakozmos ir daudz izolētu Visumu ar atšķirīgu kārtību.
Teorētiskie fiziķi labprāt nāk klajā ar alternatīvām pat vispārpieņemtākajām teorijām. Arī Lielā sprādziena inflācijas modelim ir konkurenti. Viņi nesaņēma plašu atbalstu, taču viņiem ir un ir savi sekotāji. Steinhardta un Turoka teorija starp tām nav pirmā un noteikti ne pēdējā. Tomēr šodien tas ir izstrādāts detalizētāk nekā citi un labāk izskaidro mūsu pasaules novērotās īpašības. Tam ir vairākas versijas, no kurām dažas balstās uz kvantu virkņu teoriju un daudzdimensionālām telpām, bet citas paļaujas uz tradicionālo kvantu lauka teoriju. Pirmā pieeja dod spilgtākus kosmoloģisko procesu attēlus, tāpēc mēs pie tā pakavēsimies.
Virkņu teorijas vismodernākā versija ir pazīstama kā M-teorija. Viņa apgalvo, ka fiziskajai pasaulei ir 11 dimensijas - desmit telpiskas un viena laicīga. Tajā peld zemāku izmēru telpas, tā sauktie brani. Mūsu Visums ir tikai viens no šiem brāniem, ar trim telpiskiem izmēriem. Tas ir piepildīts ar dažādām kvantu daļiņām (elektroni, kvarki, fotoni utt.), Kas patiesībā ir atvērtas vibrējošas virknes, kurām ir tikai viena telpiskā dimensija - garums. Katras stīgas gali ir stingri noenkuroti trīsdimensiju brāna iekšpusē, un aukla nevar atstāt brānu. Bet ir arī slēgtas virknes, kas var migrēt ārpus branšām - tie ir gravitoni, gravitācijas lauka kvanti.
Kā cikliskā teorija izskaidro Visuma pagātni un nākotni? Sāksim ar pašreizējo laikmetu. Pirmā vieta tagad pieder tumšajai enerģijai, kas liek mūsu Visumam eksponenciāli paplašināties, periodiski divkāršojoties. Tā rezultātā matērijas un radiācijas blīvums pastāvīgi samazinās, telpas gravitācijas izliekums vājinās, un tā ģeometrija kļūst arvien plakanāka. Nākamo triljonu gadu laikā Visuma lielums dubultosies apmēram simts reizes, un tas pārvērtīsies par gandrīz tukšu pasauli, kurā pilnīgi nav materiālu struktūru. Blakus mums ir vēl viens trīsdimensiju brāns, ko ceturtajā dimensijā no mums atdala nenozīmīgs attālums, un arī tas piedzīvo līdzīgu eksponenciālu izplešanos un izlīdzināšanos. Visu šo laiku attālums starp celtņiem praktiski nemainās.
Un tad šie paralēlie brani sāk saplūst. Viņus viens pret otru stumj spēka lauks, kura enerģija ir atkarīga no attāluma starp celtņiem. Tagad šāda lauka enerģijas blīvums ir pozitīvs, tāpēc abu celtņu telpa eksponenciāli paplašinās - līdz ar to tieši šis lauks nodrošina efektu, kas izskaidrojams ar tumšās enerģijas klātbūtni! Tomēr šis parametrs pamazām samazinās un pēc triljoniem gadu nokritīsies līdz nullei. Abas branes tik un tā turpinās paplašināties, bet ne eksponenciāli, bet ļoti lēnā tempā. Līdz ar to mūsu pasaulē daļiņu un starojuma blīvums paliks gandrīz nulle, un ģeometrija paliks plakana.
Bet vecā stāsta beigas ir tikai ievads nākamajam ciklam. Brāņi pārvietojas viens pret otru un galu galā saduras. Šajā posmā starpnozaru lauka enerģijas blīvums nokrītas zem nulles, un tas sāk darboties kā gravitācija (atgādiniet, ka gravitācijai ir negatīva potenciālā enerģija!). Kad branči ir ļoti tuvu, starpbranu lauks sāk pastiprināt kvantu svārstības katrā mūsu pasaules punktā un pārveido tās telpiskās ģeometrijas makroskopiskās deformācijās (piemēram, sekundes miljondaļā pirms sadursmes aprēķinātais šādu deformāciju lielums sasniedz vairākus metrus). Pēc sadursmes tieši šajās zonās tiek atbrīvota lauvas daļa trieciena laikā izdalītās kinētiskās enerģijas. Rezultātā tieši tur notiek visvairāk karstas plazmas, kuras temperatūra ir aptuveni 1023 grādi. Tieši šie reģioni kļūst par vietējiem gravitācijas mezgliem un pārvēršas par nākotnes galaktiku embrijiem.
Šāda sadursme aizstāj inflācijas kosmoloģijas Lielo sprādzienu. Ir ļoti svarīgi, lai visa jaunizveidotā matērija ar pozitīvo enerģiju parādās starpnozaru lauka uzkrāto negatīvo enerģiju dēļ, tāpēc netiek pārkāpts enerģijas saglabāšanas likums.
Kā šāds lauks izturas šajā izšķirošajā brīdī? Pirms sadursmes tās enerģijas blīvums sasniedz minimumu (un negatīvu), pēc tam sāk palielināties, un pēc sadursmes tas kļūst nulle. Tad branči viens otru atgrūž un sāk izklīst. Starpnozaru enerģijas blīvums iet cauri reversajai evolūcijai - atkal tā kļūst negatīva, nulle, pozitīva. Ar matēriju un starojumu bagātināts klonis vispirms ar samazinošu ātrumu izplešas zem sava gravitācijas bremzēšanas efekta un pēc tam atkal pāriet uz eksponenciālo izplešanos. Jaunais cikls beidzas tāpat kā iepriekšējais - un tā tālāk bezgalīgi. Cikli pirms mums notika arī agrāk - šajā modelī laiks ir nepārtraukts, tāpēc pagātne pastāv pēc 13,7 miljardiem gadu, kas pagājuši kopš pēdējās mūsu klijas bagātināšanas ar matēriju un radiāciju!Neatkarīgi no tā, vai viņiem vispār ir sākums, teorija klusē.
Cikliskā teorija jaunā veidā izskaidro mūsu pasaules īpašības. Tam ir plakana ģeometrija, jo katra cikla beigās tā pārmērīgi izstiepjas un tikai nedaudz deformējas pirms jauna cikla uzsākšanas. Kvantu svārstības, kas kļūst par galaktiku priekšgājējiem, rodas haotiski, bet vidēji vienmērīgi - tāpēc ārējā telpa ir piepildīta ar matērijas puduriem, bet ļoti lielos attālumos tā ir diezgan viendabīga. Mēs nevaram noteikt magnētiskos monopolus tikai tāpēc, ka jaundzimušās plazmas maksimālā temperatūra nepārsniedza 1023 K, un šādu daļiņu parādīšanās prasa daudz lielākas enerģijas - apmēram 1027 K.
Cikliskā teorija pastāv vairākās versijās, tāpat kā inflācijas teorija. Tomēr, pēc Pola Šteinhardta domām, atšķirības starp tām ir tīri tehniskas un interesantas tikai speciālistiem, vispārējais jēdziens paliek nemainīgs: “Pirmkārt, mūsu teorijā nav pasaules sākuma brīža, nav singularitātes. Pastāv periodiskas intensīvas matērijas un starojuma radīšanas fāzes, un katru no tām, ja vēlaties, var saukt par Lielo sprādzienu. Bet neviena no šīm fāzēm nenozīmē jauna Visuma rašanos, bet tikai pāreju no viena cikla uz citu. Gan telpa, gan laiks pastāv gan pirms, gan pēc šīm kataklizmām. Tāpēc ir pilnīgi dabiski jautāt, kāds bija lietu stāvoklis 10 miljardus gadu pirms pēdējā Lielā sprādziena, no kura tiek skaitīta Visuma vēsture.
Otra galvenā atšķirība ir tumšās enerģijas raksturs un loma. Inflācijas kosmoloģija neparedzēja Visuma palēnināšanās paplašināšanās pāreju uz paātrinātu. Un, kad astrofiziķi atklāja šo parādību, novērojot tālu supernovu sprādzienus, standarta kosmoloģija pat nezināja, ko ar to darīt. Tumšās enerģijas hipotēze tika izvirzīta vienkārši, lai kaut kā sasaistītu šo novērojumu paradoksālos rezultātus ar teoriju. Un mūsu pieeju daudz labāk apzīmē iekšējā loģika, jo sākotnēji mums ir tumšā enerģija, un tieši šī enerģija nodrošina kosmoloģisko ciklu maiņu. " Tomēr, kā atzīmē Pols Šteinhards, arī cikliskajai teorijai ir vājās vietas: “Mums vēl nav izdevies pārliecinoši aprakstīt paralēlo braukšanas sadursmes un atsitiena procesu, kas notiek katra cikla sākumā. Citi cikliskās teorijas aspekti ir daudz labāk izstrādāti, taču joprojām jānoņem daudzas neskaidrības."
Bet pat skaistākajiem teorētiskajiem modeļiem ir nepieciešama eksperimentāla pārbaude. Vai novērojumus var apstiprināt vai noraidīt ciklisko kosmoloģiju? "Gan inflācijas, gan cikliskās teorijas paredz relikvijas gravitācijas viļņu esamību," skaidro Pols Šteinhards. - Pirmajā gadījumā tie rodas no primārajām kvantu svārstībām, kuras inflācijas laikā tiek izsmērētas telpā un rada periodiskas tās ģeometrijas svārstības - un tie, pēc vispārējās relativitātes, ir gravitācijas viļņi. Mūsu scenārijā kvantu svārstības ir arī šādu viļņu galvenais cēlonis - tie paši, kurus pastiprina celtņu sadursmes. Aprēķini parādīja, ka katrs mehānisms rada viļņus ar noteiktu spektru un specifisku polarizāciju. Šiem viļņiem bija jāatstāj nospiedumi uz kosmisko mikroviļņu starojumu, kas ir nenovērtējams informācijas avots par agrīno kosmosu. Pagaidām šādas pēdas nav atrastas, bet, visticamāk, tas tiks izdarīts nākamās desmitgades laikā. Turklāt fiziķi jau domā par relikviju gravitācijas viļņu tiešu reģistrēšanu, izmantojot kosmosa kuģus, kas parādīsies pēc divām līdz trim desmitgadēm."
Vēl viena atšķirība, pēc profesora Šteinhardta domām, ir fona mikroviļņu starojuma temperatūras sadalījums: “Šis starojums, kas nāk no dažādām debess daļām, nav pilnīgi vienmērīgs temperatūrā, tam ir vairāk un mazāk apsildāmās zonas. Mūsdienu aprīkojuma nodrošinātajā mērījumu precizitātes līmenī karsto un auksto zonu skaits ir aptuveni vienāds, kas sakrīt ar abu teoriju secinājumiem - gan inflācijas, gan cikliskā. Tomēr šīs teorijas paredz smalkākas atšķirības starp zonām. Principā viņi varēs identificēt pagājušajā gadā uzsākto Eiropas kosmosa observatoriju “Planck” un citus jaunākos kosmosa kuģus. Es ceru, ka šo eksperimentu rezultāti palīdzēs izdarīt izvēli starp inflācijas un cikliskām teorijām. Bet tas var notikt šādā veidā,ka situācija paliks neskaidra un neviena no teorijām nesaņems nepārprotamu eksperimentālu atbalstu. Nu, tad man būs jāizdomā kaut kas jauns."
Saskaņā ar inflācijas modeli, Visums neilgi pēc dzimšanas ļoti īslaicīgi eksponenciāli paplašinājās, daudzkārt dubultojot lineāros izmērus. Zinātnieki uzskata, ka šī procesa sākums sakrita laikā ar spēcīgas mijiedarbības atdalīšanu un notika 10-36 s laika zīmē. Šī izplešanās (ar amerikāņu teorētiskā fiziķa Sidnija Kolemana vieglo roku to sauca par kosmoloģisko inflāciju) bija ārkārtīgi īslaicīga (līdz 10-34 s), taču palielināja Visuma lineāros izmērus vismaz 1030-1050 reizes un, iespējams, daudz vairāk. Saskaņā ar lielāko daļu specifisko scenāriju inflāciju uzsāka anti-gravitācijas kvantu skalārais lauks, kura enerģijas blīvums pakāpeniski samazinājās un galu galā sasniedza minimumu. Pirms tas notika, lauks sāka strauji svārstīties,ģenerējot elementārdaļiņas. Tā rezultātā līdz inflācijas fāzes beigām Visums tika piepildīts ar superhot plazmu, kas sastāv no brīviem kvarkiem, gluoniem, leptoniem un augstas enerģijas elektromagnētiskā starojuma kvantiem.
Radikāla alternatīva
Astoņdesmitajos gados profesors Šteinhards deva ievērojamu ieguldījumu standarta Lielā sprādziena teorijas izstrādē. Tomēr tas viņu neatturēja meklēt radikālu alternatīvu teorijai, kurā tika ieguldīts tik daudz darba. Kā pats Pols Šteinhards sacīja populārajai mehānikai, inflācijas hipotēze patiešām atklāj daudzus kosmoloģiskus noslēpumus, taču tas nenozīmē, ka nav jēgas meklēt citus skaidrojumus: “Sākumā mani vienkārši interesēja mēģināt izprast mūsu pasaules pamatīpašības, neizmantojot inflāciju. Vēlāk, iedziļinoties šajā jautājumā, es pārliecinājos, ka inflācijas teorija nebūt nav tik perfekta, kā apgalvo tās piekritēji. Kad inflācijas kosmoloģija vēl tikai tika veidota, mēs cerējām, ka tā izskaidros pāreju no matērijas sākotnējā haotiskā stāvokļa uz pašreizējo sakārtoto Visumu. Viņa to izdarīja - bet viņa gāja daudz tālāk.
Teorijas iekšējā loģika prasīja atzīt, ka inflācija pastāvīgi rada bezgalīgi daudz pasaules. Tas nebūtu liels darījums, ja viņu fiziskā ierīce nokopētu mūsu pašu, taču tas vienkārši nedarbojas. Piemēram, ar inflācijas hipotēzes palīdzību bija iespējams izskaidrot, kāpēc mēs dzīvojam plakanā Eiklida pasaulē, bet galu galā lielākajai daļai citu Visumu noteikti nebūs vienādas ģeometrijas. Īsāk sakot, mēs veidojām teoriju, lai izskaidrotu savu pasauli, un tā izkļuva no rokām un radīja bezgalīgu daudzveidīgu eksotisku pasauli. Šāds stāvoklis man vairs nederēja. Turklāt standarta teorija nespēj izskaidrot agrākā stāvokļa būtību, kas bija pirms eksponenciālās ekspansijas. Šajā ziņā tā ir tikpat nepilnīga kā pirmsinflācijas kosmoloģija. Visbeidzot,viņa nespēj neko pateikt par tumšās enerģijas būtību, kas jau 5 miljardus gadu ir virzījusi mūsu Visuma paplašināšanos.
