Ciklični model vesolja: degeneracija snovi se dogaja neskončno

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

V zgodnjih 2000-ih sta dva fizika z univerze Princeton predlagala kozmološki model, po katerem Veliki pok ni edinstven dogodek, ampak je prostor-čas obstajal že dolgo pred rojstvom vesolja.

V cikličnem modelu gre vesolje skozi neskončen samovzdrževalni cikel. V tridesetih letih prejšnjega stoletja je Albert Einstein predstavil idejo, da lahko vesolje doživi neskončen cikel velikih pokov in velikih kompresij. Širitev našega vesolja je lahko posledica propada prejšnjega vesolja. V okviru tega modela lahko rečemo, da se je vesolje ponovno rodilo iz smrti svojega predhodnika. Če je tako, potem Veliki pok ni bil nekaj edinstvenega, je le ena manjša eksplozija med neskončnim številom drugih. Ciklična teorija ne nadomešča nujno teorije velikega poka, temveč poskuša odgovoriti na druga vprašanja: na primer, kaj se je zgodilo pred Velikim pokom in zakaj je Veliki pok pripeljal do obdobja hitre ekspanzije?

Enega od novih cikličnih modelov vesolja sta leta 2001 predlagala Paul Steinhardt in Neil Turok. Steinhardt je ta model opisal v svojem članku, ki se je imenoval Cyclic Model of the Univers. V teoriji strun je membrana ali "brana" predmet, ki obstaja v številnih dimenzijah. Po Steinhardtu in Turoku tri prostorske dimenzije, ki jih vidimo, ustrezajo tem branam. Dve 3D brani lahko obstajata vzporedno, ločeni z dodatno, skrito dimenzijo. Te brane - lahko si jih predstavljamo kot kovinske plošče - se lahko premikajo po tej dodatni dimenziji in trčijo med seboj, kar ustvarja Veliki pok in s tem vesolja (kot je naše). Ko trčijo, se dogodki odvijajo po standardnem modelu velikega poka: nastaneta vroča snov in sevanje, pride do hitrega napihovanja, nato pa se vse ohladi - in nastanejo takšne strukture, kot so galaksije, zvezde in planeti. Vendar Steinhardt in Turok trdita, da med temi branami vedno obstaja neka interakcija, ki ji pravijo medbrane: ta jih potegne skupaj, zaradi česar se ponovno trčijo in povzročijo naslednji Veliki pok.

Steinhardtov in Turokov model kljub temu izpodbija nekatere predpostavke modela velikega poka. Na primer, po njihovem mnenju Veliki pok ni bil začetek prostora in časa, temveč prehod iz prejšnje faze evolucije. Če govorimo o modelu velikega poka, potem pravi, da je ta dogodek pomenil neposreden začetek prostora in časa kot takega. Poleg tega mora v tem ciklu trkajočih se branov obsežno strukturo vesolja določiti faza stiskanja: to se zgodi, preden trčijo in se zgodi naslednji Veliki pok. Po teoriji velikega poka je struktura vesolja velikega obsega določena z obdobjem hitrega širjenja (inflacije), ki je potekalo kmalu po eksploziji. Poleg tega model velikega poka ne napoveduje, kako dolgo bo vesolje obstajalo, v Steinhardtovem modelu pa je trajanje vsakega cikla približno bilijon let.

Dobra stvar cikličnega modela vesolja je, da za razliko od modela velikega poka lahko pojasni tako imenovano kozmološko konstanto. Velikost te konstante je neposredno povezana s pospešenim širjenjem vesolja: pojasnjuje, zakaj se prostor tako hitro širi. Glede na opažanja je vrednost kozmološke konstante zelo majhna. Do nedavnega je veljalo, da je njegova vrednost 120 redov velikosti manjša, kot je predvidevala standardna teorija velikega poka. Ta razlika med opazovanjem in teorijo je že dolgo ena največjih težav v sodobni kozmologiji. Ne tako dolgo nazaj pa so bili pridobljeni novi podatki o širjenju vesolja, po katerih se širi hitreje, kot se je prej mislilo. Ostaja še počakati na nova opažanja in potrditev (ali ovrženje) že pridobljenih podatkov.

Steven Weinberg, Nobelov nagrajenec iz leta 1979, skuša razložiti razliko med opazovanjem in napovedovanjem modela z uporabo tako imenovanega antropskega principa. Po njegovem mnenju je vrednost kozmološke konstante naključna in se v različnih delih Vesolja razlikuje. Ne smemo se čuditi, da živimo na tako redkem območju, kjer opazimo majhno vrednost te konstante, saj se le s to vrednostjo lahko razvijajo zvezde, planeti in življenje. Nekateri fiziki pa niso zadovoljni s to razlago zaradi pomanjkanja dokazov, da je ta vrednost drugačna v drugih regijah v opazovanem vesolju.

Podoben model je v osemdesetih letih prejšnjega stoletja razvil ameriški fizik Larry Abbott. Vendar pa je bilo v njegovem modelu zmanjšanje kozmološke konstante na nizke vrednosti tako dolgo, da bi se vsa snov v vesolju v takem obdobju razpršila v vesolju, zaradi česar bi bila dejansko prazna. Po Steinhardtovem in Turokovem cikličnem modelu vesolja je razlog, zakaj je vrednost kozmološke konstante tako majhna, ta, da je bila sprva zelo velika, sčasoma pa se je z vsakim novim ciklom zmanjševala. Z drugimi besedami, z vsako veliko eksplozijo se količina snovi in sevanja v vesolju "izniči", ne pa tudi kozmološka konstanta. V mnogih ciklih je njegova vrednost padla in danes opažamo točno to vrednost (5,98 x 10-10 J/m3).

Neil Turok je v intervjuju o svojem in Steinhardtovem modelu cikličnega vesolja govoril takole:

"Predlagali smo mehanizem, v katerem teorija superstrun in M-teorija (naše najboljše kombinirane teorije kvantne gravitacije) omogočata vesolju, da gre skozi Veliki pok. Toda da bi razumeli, ali je naša predpostavka popolnoma skladna, je potrebno nadaljnje teoretično delo."

Znanstveniki upajo, da bo z razvojem tehnologije priložnost, da to teorijo preizkusimo skupaj z drugimi. Tako je po standardnem kozmološkem modelu (ΛCDM) kmalu po velikem poku, ki je vesolje napolnil z gravitacijskimi valovi, sledilo obdobje, znano kot inflacija. Leta 2015 je bil posnet signal gravitacijskega valovanja, katerega oblika je sovpadala z napovedjo splošne relativnosti za združitev dveh črnih lukenj (GW150914). Leta 2017 so fiziki Kip Thorne, Rainer Weiss in Barry Barish prejeli Nobelovo nagrado za to odkritje. Pozneje so bili zabeleženi tudi gravitacijski valovi, ki izhajajo iz dogodka združitve dveh nevtronskih zvezd (GW170817). Vendar gravitacijski valovi zaradi kozmične inflacije še niso bili zabeleženi. Poleg tega Steinhardt in Turok ugotavljata, da če je njihov model pravilen, bodo takšni gravitacijski valovi premajhni, da bi jih bilo mogoče "zaznati".