En billion år før Big Bang

Indholdsfortegnelse:

En billion år før Big Bang
En billion år før Big Bang
Anonim

Titlen på denne artikel lyder muligvis ikke som en smart vittighed. Ifølge det generelt accepterede kosmologiske koncept, Big Bang -teorien, opstod vores univers fra en ekstrem tilstand af et fysisk vakuum genereret af en kvantesvingning. I denne tilstand eksisterede hverken tid eller rum (eller de var viklet ind i rum-tidskum), og alle grundlæggende fysiske interaktioner blev smeltet sammen. Senere adskilte de sig og opnåede en uafhængig eksistens - først tyngdekraften, derefter stærk interaktion og først derefter - svag og elektromagnetisk.

Det øjeblik, der gik forud for disse ændringer, betegnes normalt som nul tid, t = 0, men dette er ren konvention, en hyldest til matematisk formalisme. Ifølge standardteorien begyndte den kontinuerlige strøm af tid først, efter at tyngdekraften blev uafhængig. Dette øjeblik tilskrives normalt værdien t = 10-43 s (mere præcist 5, 4x10-44 s), som kaldes Planck-tiden. Moderne fysiske teorier er simpelthen ikke i stand til meningsfuldt at arbejde med kortere tidsperioder (man mener, at dette kræver en kvanteteori om tyngdekraften, som endnu ikke er skabt). I forbindelse med traditionel kosmologi giver det ingen mening at tale om, hvad der skete før det indledende tidspunkt, da tiden i vores forståelse simpelthen ikke eksisterede på det tidspunkt.

Image
Image

Big Bang -teorien stoler på det absolutte flertal af forskere, der studerer vores universs tidlige historie. Det forklarer virkelig meget og modsiger ikke de eksperimentelle data på nogen måde. For nylig har den imidlertid en rival i lyset af en ny, cyklisk teori, hvis fundamenter blev udviklet af to ekstraklasse fysikere - direktøren for Institute of Theoretical Science ved Princeton University Paul Steinhardt og vinderen af Maxwell Medalje og den prestigefyldte internationale TED -pris Neil Turok, direktør for Canadian Institute for Advanced Study inden for teoretisk fysik (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Ved hjælp af professor Steinhardt forsøgte Popular Mechanics at tale om den cykliske teori og årsagerne til dens udseende.

Inflationær kosmologi

En uundværlig del af standard kosmologisk teori er begrebet inflation (se sidebjælken). Efter inflationens ophør kom tyngdekraften til sin ret, og universet fortsatte med at ekspandere, men i en faldende hastighed. Denne udvikling strakte sig over 9 milliarder år, hvorefter et andet tyngdekraftsfelt af stadig ukendt karakter, der kaldes mørk energi, trådte i aktion. Det bragte igen universet i en eksponentiel ekspansionsform, som synes at blive bevaret i fremtiden. Det skal bemærkes, at disse konklusioner er baseret på astrofysiske opdagelser foretaget i slutningen af forrige århundrede, næsten 20 år efter fremkomsten af inflationskosmologi.

Den inflationære fortolkning af Big Bang blev først foreslået for omkring 40 år siden og er blevet forfinet mange gange siden da. Denne teori løste flere grundlæggende problemer, som tidligere kosmologi ikke kunne klare. For eksempel forklarede hun, hvorfor vi lever i et univers med en flad euklidisk geometri - ifølge de klassiske Friedmann -ligninger er det præcis, hvad det skal gøre med eksponentiel ekspansion. Inflationsteorien forklarede, hvorfor kosmisk stof er granulært på en skala, der ikke overstiger hundreder af millioner lysår og er jævnt fordelt over lange afstande. Hun gav også en fortolkning af mislykket forsøg på at opdage magnetiske monopoler, meget massive partikler med en enkelt magnetisk pol, som menes at have været født i overflod før inflationens begyndelse (inflationen strakte rummet så meget, at den oprindeligt høje densitet af monopoler blev reduceret til næsten nul, og derfor kan vores instrumenter ikke opdage dem).

Image
Image

Kort efter at inflationsmodellen dukkede op, indså flere teoretikere, at dens interne logik ikke modsagde ideen om permanent flerfødsel af flere og flere nye universer. Faktisk kan kvanteudsving, f.eks. Dem, vi skylder vores verden til eksistens, forekomme i enhver mængde, hvis betingelserne er rigtige. Det er ikke udelukket, at vores univers har forladt den fluktuationszone, der blev dannet i forgængerens verden. På samme måde kan det antages, at der engang og et sted i vores eget univers vil dannes en udsving, som vil "blæse ud" et ungt univers af en helt anden slags, der også er i stand til kosmologisk "formering". Der er mønstre, hvor sådanne børnuniverser opstår kontinuerligt, forgrener sig fra deres forældre og finder deres eget sted. Desuden er det slet ikke nødvendigt, at de samme fysiske love er etableret i sådanne verdener. Alle disse verdener er "indlejret" i et enkelt rum-tidskontinuum, men de er så adskilt fra hinanden, at de ikke mærker hinandens tilstedeværelse på nogen måde. Generelt tillader begrebet inflation - i øvrigt tvinger! - at tro, at der i de gigantiske megakosmos er mange isolerede universer med forskellige arrangementer.

Alternativ

Teoretiske fysikere elsker at komme med alternativer til selv de mest generelt accepterede teorier. Big Bangs inflationsmodel har også konkurrenter. De modtog ikke bred opbakning, men de havde og havde deres egne tilhængere. Teorien om Steinhardt og Turok er ikke den første blandt dem, og bestemt ikke den sidste. Imidlertid er den til dato blevet udviklet mere detaljeret end de andre og forklarer bedre de observerede egenskaber i vores verden. Den har flere versioner, hvoraf nogle er baseret på kvantestrengsteori og flerdimensionale rum, mens andre er afhængige af traditionel kvantefeltteori. Den første tilgang giver mere levende billeder af kosmologiske processer, så vi vil dvæle ved det.

Image
Image

Den mest avancerede version af strengteori er kendt som M-teori. Hun hævder, at den fysiske verden har 11 dimensioner - ti rumlige og en tidsmæssig. Rum med lavere dimensioner, de såkaldte branes, flyder i det. Vores univers er bare en sådan klid, med tre rumlige dimensioner. Den er fyldt med forskellige kvantepartikler (elektroner, kvarker, fotoner osv.), Som faktisk er åbne vibrerende strenge med kun en rumlig dimension - længde. Enderne på hver streng er fastgjort inde i en tredimensionel klid, og strengen kan ikke forlade klanen. Men der er også lukkede strenge, der kan migrere uden for branes - det er gravitoner, kvanter for tyngdefeltet.

Hvordan forklarer cyklisk teori universets fortid og fremtid? Lad os starte med den nuværende æra. Førstepladsen tilhører nu mørk energi, som får vores univers til at ekspandere eksponentielt og periodisk fordobles i størrelse. Som følge heraf falder densiteten af stof og stråling konstant, tyngdekraften i rummet svækkes, og dets geometri bliver mere og mere flad. I løbet af de næste billioner år vil universets størrelse fordobles omkring hundrede gange, og det vil blive til en næsten tom verden, fuldstændig blottet for materielle strukturer. Ved siden af os er en anden tredimensionel klid, adskilt fra os med en ubetydelig afstand i den fjerde dimension, og den undergår også en lignende eksponentiel ekspansion og udfladning. Hele denne tid forbliver afstanden mellem branerne praktisk talt uændret.

Image
Image

Og så begynder disse parallelle braner at konvergere. De skubbes mod hinanden af et kraftfelt, hvis energi afhænger af afstanden mellem kliderne. Nu er energitætheden i et sådant felt positiv, så rummet for begge braner ekspanderer eksponentielt - derfor er det dette felt, der giver den effekt, der forklares ved tilstedeværelsen af mørk energi! Denne parameter falder imidlertid gradvist, og om en billion år vil den falde til nul. Begge braner vil fortsat ekspandere alligevel, men ikke eksponentielt, men i et meget langsomt tempo. Derfor vil tætheden af partikler og stråling i vores verden forblive næsten nul, og geometrien vil forblive flad.

Ny cyklus

Men slutningen på den gamle historie er bare en optakt til den næste cyklus. Branes bevæger sig mod hinanden og kolliderer til sidst. På dette stadium falder energitætheden i det forgrenede felt under nul, og det begynder at virke som tyngdekraften (lad mig minde dig om, at den potentielle tyngdekraftenergi er negativ!). Når branerne er meget tæt på, begynder interbrane-feltet at forstærke kvanteudsving på alle punkter i vores verden og omdanner dem til makroskopiske deformationer af rumlig geometri (for eksempel i en milliontedel af et sekund før kollisionen, den beregnede størrelse på sådanne deformationer når flere meter). Efter kollisionen er det i disse zoner, at størstedelen af den kinetiske energi, der frigives under påvirkningen, frigives. Som et resultat er det der, at det mest varme plasma med en temperatur på omkring 1023 grader forekommer. Det er disse regioner, der bliver lokale gravitationsknudepunkter og bliver til embryoner for fremtidige galakser.

En sådan kollision afløser inflationskosmologiens Big Bang. Det er meget vigtigt, at alt det nydannede stof med positiv energi vises på grund af den akkumulerede negative energi i brancheområdet, derfor overtrædes loven om bevarelse af energi ikke.

Image
Image

Inflationsteori giver mulighed for dannelse af flere datteruniverser, der løbende spirer fra eksisterende.

Og hvordan opfører et sådant felt sig i dette afgørende øjeblik? Inden kollisionen når densiteten af dens energi et minimum (og negativt), begynder derefter at stige, og ved kollision bliver den til nul. Branerne afviser derefter hinanden og begynder at sprede sig. Tætheden af brancheenergien gennemgår en omvendt udvikling - igen bliver den negativ, nul, positiv. Klanen, der er beriget med stof og stråling, ekspanderer først med en faldende hastighed under bremseeffekten af sin egen gravitation, og går derefter igen over til eksponentiel ekspansion. Den nye cyklus slutter som den forrige - og så videre ad infinitum. Cyklerne forud for vores fandt sted i fortiden - i denne model er tiden kontinuerlig, så fortiden eksisterer ud over de 13,7 milliarder år, der er gået siden den sidste berigelse af vores klid med stof og stråling! Uanset om de overhovedet havde nogen begyndelse, er teorien tavs.

Cyklisk teori forklarer egenskaberne i vores verden på en ny måde. Den har en flad geometri, da den ved slutningen af hver cyklus strækker sig overdrevent og kun deformeres lidt, inden en ny cyklus startes. Kvantesvingninger, der bliver forløbere for galakser, opstår kaotisk, men i gennemsnit jævnt - derfor er det ydre rum fyldt med klumper af stof, men på meget store afstande er det ret homogent. Vi kan ikke opdage magnetiske monopoler, simpelthen fordi den maksimale temperatur for det nyfødte plasma ikke oversteg 1023 K, og der kræves meget højere energier til fremkomsten af sådanne partikler - i størrelsesordenen 1027 K.

Image
Image

Cyklisk skabelse

Big Bang -øjeblikket er branes kollision. En enorm mængde energi frigives, branerne spredes, der er en langsom ekspansion, stof og stråling køler ned, og galakser dannes. Udvidelsen accelereres igen på grund af den positive tværgrenede energitæthed, og derefter bremser den, geometrien bliver flad. Braner tiltrækkes af hinanden, før kollisionen forstærkes kvantesvingninger og omdannes til deformationer af rumlig geometri, som i fremtiden vil blive frø til galakser. Der opstår en kollision, og cyklussen starter forfra.

En verden uden begyndelse eller slutning

Den cykliske teori findes i flere versioner, ligesom inflationsteorien. Men ifølge Paul Steinhardt er forskellene mellem dem rent tekniske og kun interessante for specialister, det generelle koncept forbliver uændret:”For det første er der i vores teori ikke noget tidspunkt for verdens begyndelse, ingen singularitet. Der er periodiske faser af intens skabelse af stof og stråling, som hver kan kaldes Big Bang, hvis det ønskes. Men nogen af disse faser markerer ikke fremkomsten af et nyt univers, men kun en overgang fra en cyklus til en anden. Både rum og tid eksisterer både før og efter nogen af disse katastrofer. Derfor er det helt naturligt at spørge, hvordan situationen var 10 milliarder år før det sidste Big Bang, hvorfra universets historie tælles.

Den anden vigtige forskel er den mørke energis art og rolle. Inflationær kosmologi forudsagde ikke overgangen til en decelererende ekspansion af universet til en accelereret. Og da astrofysikere opdagede dette fænomen ved at observere eksplosionerne i fjerne supernovaer, vidste standardkosmologi ikke engang, hvad de skulle gøre ved det. Hypotesen om mørk energi blev fremsat blot for på en eller anden måde at knytte de paradoksale resultater af disse observationer til teorien. Og vores tilgang er meget bedre forseglet af intern logik, da vi har mørk energi fra begyndelsen, og det er denne energi, der sikrer vekslen mellem kosmologiske cyklusser. " Som Paul Steinhardt bemærker, har den cykliske teori imidlertid også svage punkter:”Vi har endnu ikke overbevisende kunnet beskrive kollisions- og reboundprocessen for parallelle braner, der finder sted i begyndelsen af hver cyklus. Andre aspekter af den cykliske teori er meget bedre udviklet, og der er stadig mange uklarheder, der skal ryddes."

Image
Image

Øvelsestjek

Men selv de smukkeste teoretiske modeller har brug for eksperimentel verifikation. Kan cyklisk kosmologi bekræftes eller modbevises ved observation? "Både inflationære og cykliske teorier forudsiger eksistensen af levnets gravitationsbølger," forklarer Paul Steinhardt. - I det første tilfælde stammer de fra primære kvanteudsving, som smøres over rummet under inflationen og genererer periodiske svingninger af dens geometri - og disse er ifølge den generelle relativitetsteori gravitationsbølger. I vores scenario er kvantesvingninger også grundårsagen til sådanne bølger - de samme, der forstærkes ved kollisioner af klaner. Beregninger har vist, at hver mekanisme genererer bølger med et specifikt spektrum og specifik polarisering. Disse bølger skulle forlade aftryk på kosmisk mikrobølgestråling, som er en uvurderlig kilde til information om det tidlige kosmos. Indtil videre er der ikke fundet sådanne spor, men sandsynligvis vil dette blive gjort inden for det næste årti. Derudover tænker fysikere allerede på den direkte registrering af levnets gravitationsbølger ved hjælp af rumfartøjer, som vil dukke op om to til tre årtier."

Image
Image

Et radikalt alternativ

I 1980'erne gav professor Steinhardt et betydeligt bidrag til udviklingen af standardteorien om Big Bang. Dette forhindrede ham dog ikke i at lede efter et radikalt alternativ til teorien, hvor der var investeret så meget arbejde. Som Paul Steinhardt selv fortalte Popular Mechanics, afslører inflationshypotesen mange kosmologiske mysterier, men det betyder ikke, at det ikke nytter at søge andre forklaringer:”Først var jeg bare interesseret i at prøve at forstå de grundlæggende egenskaber i vores verden uden at ty til inflation. Senere, da jeg gik nærmere ind i disse spørgsmål, blev jeg overbevist om, at inflationsteorien slet ikke er så perfekt, som dens fortalere hævder. Da inflationær kosmologi lige var ved at blive skabt, håbede vi, at det ville forklare overgangen fra den oprindelige kaotiske tilstand til materien til det nuværende ordnede univers. Hun gjorde netop det - men hun gik meget længere. Teoriens interne logik krævede at indrømme, at inflationen konstant skaber et uendeligt antal verdener. Dette ville være i orden, hvis deres fysiske enhed kopierede vores egen, men det virker bare ikke. For eksempel var det ved hjælp af inflationshypotesen muligt at forklare, hvorfor vi lever i en flad euklidisk verden, men trods alt vil de fleste andre universer bestemt ikke have den samme geometri. Kort sagt, vi byggede en teori for at forklare vores egen verden, og den gik ud af hånden og affødte en endeløs række eksotiske verdener. Denne tilstand ophørte med at passe mig. Derudover er standardteorien ikke i stand til at forklare karakteren af den tidligere tilstand, der gik forud for den eksponentielle ekspansion. I denne forstand er den lige så ufuldstændig som den præinflatoriske kosmologi. Endelig er det ude af stand til at sige noget om arten af mørk energi, som har drevet udvidelsen af vores univers i 5 milliarder år.

En anden forskel, ifølge professor Steinhardt, er temperaturfordelingen af baggrundsbølgestrålingen:”Denne stråling, der kommer fra forskellige dele af himlen, er ikke helt ensartet i temperaturen, den har flere og mindre opvarmede zoner. På det målepræcisionsniveau, der leveres af moderne udstyr, er antallet af varme og kolde zoner omtrent det samme, hvilket falder sammen med konklusionerne fra begge teorier - både inflationære og cykliske. Disse teorier forudsiger imidlertid mere subtile forskelle mellem zoner. I princippet kan de detekteres af det europæiske rumobservatorium 'Planck', der blev lanceret sidste år og andre nyeste rumfartøjer. Jeg håber, at resultaterne af disse forsøg hjælper med at træffe et valg mellem inflationære og cykliske teorier. Men det kan også ske, at situationen forbliver usikker, og ingen af teorierne vil få utvetydig eksperimentel støtte. Nå, så må jeg finde på noget nyt."

Anbefalede: