En biljon år före Big Bang

Titeln på denna artikel kanske inte verkar vara ett smart skämt. Enligt det allmänt accepterade kosmologiska konceptet, Big Bang-teorin, uppstod vårt universum från det extrema tillståndet av ett fysiskt vakuum genererat av kvantfluktuationer. I detta tillstånd fanns varken tid eller rymd (eller de var förvirrade i rymd-tidskummet), och alla grundläggande fysiska interaktioner slogs samman. Senare delade de upp och fick ett självständigt varelse - först gravitation, sedan stark interaktion och först sedan - svag och elektromagnetisk.

Det ögonblick som föregår dessa förändringar betecknas vanligtvis som nolltid, t = 0, men detta är ren konvention, en hyllning till matematisk formalism. Enligt standardteorin började ett kontinuerligt tidsflöde först efter att allvaren fick oberoende. Värdet t = 10-43 s (mer exakt, 5, 4x10-44 s), som kallas Planck-tid, tillskrivs vanligtvis till detta ögonblick. Moderna fysiska teorier kan helt enkelt inte meningsfullt arbeta med kortare perioder (det tros att detta kräver en kvantteori om tyngdkraft, som ännu inte har skapats). Inom ramen för traditionell kosmologi är det inte meningsfullt att prata om vad som hände före det första ögonblicket, eftersom tiden i vår förståelse helt enkelt inte fanns då.

The Big Bang Theory litas på av de allra flesta forskare som studerar vår universums tidiga historia. Det förklarar faktiskt mycket och motsäger inte de experimentella uppgifterna. Nyligen hade hon emellertid en konkurrent inför en ny, cyklisk teori, vars grunder utvecklades av två fysiker av extra klass - Paul Steinhardt, chef för Institute for Theoretical Science of Princeton University och Neil Turoc, vinnare av Maxwell Medal och prestigefylld internationell pris TED, chef för Canadian Institute for Advanced Studies in Theoretical Fysik (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Med hjälp av professor Steinhardt försökte Popular Mechanics prata om den cykliska teorin och orsakerna till dess utseende.

Inflationskosmologi

En oumbärlig del av den kosmologiska teorin är begreppet inflation (se ruta). Efter att inflationen slutade kom tyngdekraften till sin rätt, och universum fortsatte att expandera, men i en minskande takt. Denna utveckling sträckte sig under 9 miljarder år, varefter ett annat tyngdkraftsfält av en ännu okänd natur spelade in, som kallas mörk energi. Det förde universum igen till ett exponentiellt expansionsläge, som verkar bevaras i framtida tider. Det bör noteras att dessa slutsatser är baserade på astrofysiska upptäckter som gjordes i slutet av förra seklet, nästan 20 år efter tillkomsten av den inflationära kosmologin.

Inflationstolkningen av Big Bang föreslogs först för cirka 30 år sedan och har sedan polerats många gånger. Denna teori tillät oss att lösa flera grundläggande problem som den tidigare kosmologin inte kunde hantera. Till exempel förklarade hon varför vi lever i ett universum med platt euklidisk geometri - i enlighet med de klassiska Friedman-ekvationerna, är detta exakt vad det borde bli med exponentiell expansion. Inflationsteorin har förklarat varför kosmisk materia har granularitet i en skala som inte överstiger hundratals miljoner ljusår och är jämnt fördelad över långa avstånd. Det tolkade också misslyckandet i några försök att upptäcka magnetiska monopoler, mycket massiva partiklar med en enda magnetisk pol, som tros ha producerats i överflöd innan inflationen började (inflationen sträckte ut yttre rymden så mycket att den ursprungligen höga densiteten för monopoler reducerades till nästan noll, och därför enheter kan inte upptäcka dem).

Strax efter tillkomsten av inflationsmodellen insåg flera teoretiker att dess interna logik inte motsäger idén om permanent flerfödelse av ständigt nya universum. Faktum är att kvantfluktuationer, till exempel de som vi är skyldiga vår världs existens, kan förekomma i valfri mängd, om det finns lämpliga förutsättningar för detta. Det är möjligt att vårt universum kom ut från fluktuationszonen som hade bildats i föregångarnas värld. På samma sätt kan det antas att en dag och någonstans i vårt eget universum kommer en fluktuation att bildas, som kommer att "spränga" ett ungt universum av en helt annan typ, som också kan kosmologiska "förökning". Det finns modeller där sådana dotterunivers uppstår kontinuerligt, spännande från sina föräldrar och finner sin egen plats. Dessutom är det inte alls nödvändigt att samma fysiska lagar är etablerade i sådana världar. Alla dessa världar är "inbäddade" i ett enda rymdkontinuum, men är så separerade i det att de inte känner varandras närvaro. I allmänhet tillåter inflationen begreppet - dessutom tvingas det! - att tro att i det gigantiska megakosmos finns det många isolerade universum med olika enheter.

alternativ

Teoretiska fysiker gillar att hitta alternativ till även de mest allmänt accepterade teorierna. Konkurrenter dök också upp i den inflationära Big Bang-modellen. De fick inte stort stöd, men de hade och hade sina följare. Teorin om Steinhardt och Turok bland dem är inte den första och verkligen inte den sista. Men hittills har det utvecklats mer detaljerat än resten och förklarar bättre de observerade egenskaperna i vår värld. Den har flera versioner, av vilka vissa är baserade på teorin om kvantsträngar och flerdimensionella utrymmen, medan andra förlitar sig på traditionell kvantfältteori. Den första metoden ger mer visuella bilder av kosmologiska processer, så vi kommer att bo på det.

Den mest avancerade versionen av strängteori kallas M-teori. Hon hävdar att den fysiska världen har 11 dimensioner - tio rumsliga och en temporär. Utrymmen med mindre dimensioner, de så kallade branerna, flyter i den. Vårt universum är bara en av dessa klossar med tre rumsliga dimensioner. Den är fylld med olika kvantpartiklar (elektroner, kvarkar, fotoner, etc.), som faktiskt är öppna vibrerande strängar med en enda rumslig dimension - längd. Ändarna på varje sträng är tätt fixerade inuti den tredimensionella klänningen, och strängen kan inte lämna klossen. Men det finns också stängda strängar som kan vandra utöver gränserna för klanar - det här är gravitationer, kvantitet av gravitationsfältet.

Hur förklarar cyklisk teori universums förflutna och framtid? Låt oss börja med den aktuella eran. Först tillhör nu mörk energi, vilket gör att vårt universum expanderar exponentiellt och periodvis fördubblar sin storlek. Som ett resultat sjunker materialets och strålningens täthet ständigt, utrymmetas gravitationskurvatur försvagas och dess geometri blir mer och mer platt. Under de närmaste biljoner åren kommer universums dimensioner att fördubblas ungefär hundra gånger och det kommer att förvandlas till en nästan tom värld, helt saknad av materiella strukturer. Bredvid oss ​​finns ytterligare en tredimensionell kli, åtskild från oss med ett obetydligt avstånd i den fjärde dimensionen, och den genomgår också en liknande exponentiell förlängning och utplattning. Hela denna tid förändras praktiskt taget avståndet mellan branerna inte.

Och sedan börjar dessa parallella klossar konvergera. De pressas till varandra av ett kraftfält, vars energi beror på avståndet mellan branerna. Nu är energitätheten för ett sådant fält positivt, därför expanderar båda branarnas utrymme exponentiellt - därför är det detta fält som ger effekten som förklaras av närvaron av mörk energi! Men denna parameter minskar gradvis och efter en biljon år sjunker den till noll. Båda klarna fortsätter att expandera ändå, men inte i exponentiell takt, men i mycket långsam takt. Därför kommer i vår värld tätheten av partiklar och strålning att förbli nästan noll, och geometri kommer att vara platt.

Ny cykel

Men slutet på den gamla berättelsen är bara ett förspel till nästa cykel. Branes rör sig mot varandra och kolliderar så småningom. I detta skede faller energitätheten för det interkraniella fältet under noll, och det börjar fungera som tyngdkraft (jag minns att den potentiella tyngdkraften är negativ!). När klanarna är väldigt nära börjar mellanbranefältet att förstärka kvantfluktuationer vid varje punkt i vår värld och omvandlar dem till makroskopiska deformationer av rumslig geometri (till exempel når den uppskattade storleken på sådana deformationer flera meter i en miljon sekund före en kollision). Efter kollisionen är det i dessa zoner som den största delen av den kinetiska energin som frigörs vid påverkan släpps. Som ett resultat är det där den mest heta plasma med en temperatur av storleksordningen 1023 grader inträffar. Det är dessa områden som blir lokala tyngdpunkter och förvandlas till kärnorna i framtida galaxer.

En sådan konflikt ersätter Big Bang i den inflationära kosmologin. Det är mycket viktigt att all ny uppkomna materia med positiv energi visas på grund av den ackumulerade negativa energin i det mellangrenade fältet, därför bryts inte lagen om bevarande av energi.

Inflationsteori möjliggör bildandet av flera dotteruniverser, som kontinuerligt knoppas från befintliga.

Och hur uppträder ett sådant fält i detta avgörande ögonblick? Innan kollisionen når energitätheten till ett minimum (och negativt) börjar den öka och i en kollision blir den noll. Sedan avvisar klarna varandra och börjar avvika. Tätheten för tvärgrenad energi genomgår en omvänd utveckling - återigen blir den negativ, noll, positiv. Berikad med materia och strålning expanderar klanen först med sjunkande hastighet under den hämmande effekten av sin egen tyngdkraft och övergår sedan igen till exponentiell expansion. En ny cykel slutar som tidigare - och så vidare ad infinitum. Cyklerna som föregick våra inträffade tidigare - i denna modell är tiden kontinuerlig, så det förflutna existerar utöver de 13, 7 miljarder år som har gått sedan den sista anrikningen av vår kli med materia och strålning! Oavsett om de alls hade någon form av början, är teorin tyst.

Den cykliska teorin förklarar på ett nytt sätt våra världens egenskaper. Den har en platt geometri, eftersom den i slutet av varje cykel sträcker sig överdrivet och deformeras bara något innan starten av en ny cykel. Kvantfluktuationer, som blir föregångarna till galaxer, uppstår slumpmässigt, men i genomsnitt enhetligt - därför är yttre rymden fylld med klumpar av materia, men på mycket stora avstånd är det helt enhetligt. Vi kan inte upptäcka magnetiska monopoler bara för att den maximala temperaturen för den nyfödda plasmaen inte överskred 1023 K, och för utseendet av sådana partiklar krävs mycket högre energier - cirka 1027 K.

Det cykliska universum Big Bang-ögonblicket är en kollision av branes. En enorm mängd energi frigörs, klingar sprids, en långsammare expansion sker, materia och strålning kall, galaxer bildas. Expansionen påskyndas igen på grund av den positiva tätheten för mellangrenad energi, och sedan bromsar, blir geometri platt. Branes lockas till varandra, före en kollision intensifieras kvantfluktuationer och förvandlas till deformationer av rumslig geometri, som i framtiden kommer att bli galaxkärnor. En kollision inträffar och cykeln börjar igen.

En värld utan början och slut

Den cykliska teorin finns i flera versioner, liksom teorin om inflation. Enligt Paul Steinhardt är skillnaderna emellertid rent tekniska och intressanta endast för specialister, men det allmänna konceptet förblir oförändrat: ”Först, i vår teori finns det inget ögonblick för världens början, ingen singularitet. Det finns periodiska faser av den intensiva födelsen av materia och strålning, var och en, om så önskas, kan kallas Big Bang. Men någon av dessa faser betyder inte uppkomsten av ett nytt universum, utan bara en övergång från en cykel till en annan. Både utrymme och tid finns både före och efter någon av dessa katastrofer. Därför är det ganska naturligt att fråga vad situationen var 10 miljarder år före den sista Big Bang, från vilken universums historia räknas.

Den andra viktiga skillnaden är arten och rollen hos mörk energi. Inflationskosmologi förutsåg inte övergången till en långsammare expansion av universum till en accelererad. Och när astrofysiker upptäckte detta fenomen och observerade blixtar av avlägsna supernovaer, visste standardkosmologin inte ens vad man skulle göra med den. Hypotesen om mörk energi lades fram helt enkelt för att på något sätt binda de paradoxala resultaten av dessa observationer till teorin. Och vårt förhållningssätt är mycket bättre förankrat av den interna logiken, eftersom mörk energi är närvarande i oss från början och det ger växling av kosmologiska cykler. ” Som noterats av Paul Steinhardt har cykliska teorier dock några svagheter: ”Hittills har vi inte kunnat övertygande beskriva processen för kollision och återhämtning av parallella klossar som äger rum i början av varje cykel. Andra aspekter av den cykliska teorin är mycket bättre utvecklade, men det finns fortfarande många oklarheter att ta itu med. ”

Öva kontrollen

Men även de vackraste teoretiska modellerna behöver experimentella tester. Är det möjligt att bekräfta eller motbevisa den cykliska kosmologin med hjälp av observationer? "Båda teorierna, både inflationära och cykliska, förutspår förekomsten av relikationsgravitationsvågor, " förklarar Paul Steinhardt. "I det första fallet kommer de från primära kvantfluktuationer, som är spridda över rymden under inflationen och genererar periodiska fluktuationer i dess geometri, " och detta, enligt den allmänna relativitetsteorin, är gravitationsvågor. I vårt scenario är kvantfluktuationer också grundorsaken till sådana vågor - just de som förstärks i en kollision av klossar. Beräkningarna visade att varje mekanism genererar vågor med ett specifikt spektrum och specifik polarisering. Dessa vågor var tvungna att lämna avtryck på den kosmiska mikrovågsstrålningen, som fungerar som en ovärderlig informationskälla om tidigt rymd. Hittills har inga sådana spår hittats, men det kommer sannolikt att ske under det kommande decenniet. Dessutom funderar fysiker redan på direkt registrering av relikationsgravitationsvågor med hjälp av rymdskepp, som kommer att dyka upp om två till tre decennier. ”


Radikalt alternativ

På 1980-talet gav professor Steinhardt ett betydande bidrag till utvecklingen av standardteorin för Big Bang. Detta hindrade emellertid inte honom från att leta efter ett radikalt alternativ till teorin, där så mycket arbete har investerats. Som Paul Steinhardt själv berättade för Popular Mechanics avslöjar inflationshypotesen många kosmologiska pussel, men det betyder inte att det är meningslöst att leta efter andra förklaringar: ”Först var jag bara intresserad av att försöka förstå de grundläggande egenskaperna i vår värld utan att ta till inflation. Senare, när jag studerade denna fråga, blev jag övertygad om att inflationsteorin inte alls är så perfekt som dess förespråkare hävdar. När inflationskosmologin just skapades hoppades vi att den skulle förklara övergången från det ursprungliga kaotiska tillståndet till det nuvarande ordnade universum. Hon gjorde detta - men gick mycket längre. Teorins interna logik som krävs för att erkänna att inflation ständigt skapar ett oändligt antal världar. Detta skulle inte vara en stor sak om deras fysiska enhet kopierade vår egen, men detta fungerar bara inte. Så, låt oss säga, med hjälp av inflationshypotesen, var det möjligt att förklara varför vi lever i en platt euklidisk värld, men de flesta andra universum kommer säkert inte att ha samma geometri. Kort sagt, vi byggde en teori för att förklara vår egen värld, och den gick ur handen och skapade en oändlig mängd exotiska världar. Denna situation har upphört att passa mig. Dessutom kan standardteorin inte förklara arten av ett tidigare tillstånd som föregick exponentiell expansion. I detta avseende är det lika ofullständigt som preinflationskosmologi. Slutligen kan hon inte säga något om arten av mörk energi, som har hanterat expansionen av vårt universum i 5 miljarder år. ”

En annan skillnad, enligt professor Steinhardt, är temperaturfördelningen på bakgrunden mikrovågsstrålning: ”Denna strålning som kommer från olika delar av himlen är inte riktigt enhetlig i temperatur, den har mer eller mindre uppvärmda zoner. На том уровне точности измерений, который обеспечивает современная аппаратура, количество горячих и холодных зон примерно одинаково, что совпадает с выводами обеих теорий — и инфляционной, и циклической. Однако эти теории предсказывают более тонкие различия между зонами. В принципе, их сможет выявить запущенная в прошлом году европейская космическая обсерватория 'Планк' и другие новейшие космические аппараты. Я надеюсь, что результаты этих экспериментов помогут сделать выбор между инфляционной и циклической теориями. Но может случиться и так, что ситуация останется неопределенной и ни одна из теорий не получит однозначной экспериментальной поддержки. Ну что ж, тогда придется придумать что-нибудь новое».

Artikeln publicerades i tidskriften Popular Mechanics (nr 6, juni 2010).

Rekommenderas

Är du orolig? Så skyldig !: Falsk detektor
2019
Spara från dig själv: hur autoimmuna sjukdomar behandlas
2019
Smarta material: den globala industrins framtid
2019