Visuma cikliskais modelis: matērijas deģenerācija notiek bezgalīgi

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

2000. gadu sākumā divi Prinstonas universitātes fiziķi ierosināja kosmoloģisko modeli, saskaņā ar kuru Lielais sprādziens nav unikāls notikums, bet telpas laiks pastāvēja ilgi pirms Visuma dzimšanas.

Cikliskajā modelī Visums iet cauri bezgalīgam pašpietiekamam ciklam. 1930. gados Alberts Einšteins izvirzīja ideju, ka Visums var piedzīvot nebeidzamu lielo sprādzienu un lielu kompresiju ciklu. Mūsu Visuma paplašināšanās var būt iepriekšējā Visuma sabrukuma rezultāts. Šī modeļa ietvaros mēs varam teikt, ka Visums atdzima no sava priekšgājēja nāves. Ja tā, tad Lielais sprādziens nebija nekas unikāls, tas ir tikai viens neliels sprādziens starp bezgalīgi daudziem citiem. Cikliskā teorija ne vienmēr aizstāj Lielā sprādziena teoriju; drīzāk tā mēģina atbildēt uz citiem jautājumiem: piemēram, kas notika pirms Lielā sprādziena un kāpēc Lielais sprādziens izraisīja straujas ekspansijas periodu?

Vienu no jaunajiem Visuma cikliskajiem modeļiem 2001. gadā ierosināja Pols Steinhards un Nīls Turoks. Šteinhards aprakstīja šo modeli savā rakstā, ko sauca par Visuma ciklisko modeli. Stīgu teorijā membrāna jeb "brāna" ir objekts, kas pastāv vairākās dimensijās. Saskaņā ar Steinhardt un Turok, trīs telpiskās dimensijas, ko mēs redzam, atbilst šīm branām. Paralēli var pastāvēt divas 3D branas, kuras atdala papildu, slēpta dimensija. Šīs branas – tās var uzskatīt par metāla plāksnēm – var pārvietoties pa šo papildu dimensiju un sadurties viena ar otru, radot Lielo sprādzienu un līdz ar to arī Visumus (tādus kā mūsējais). Viņiem saduroties, notikumi risinās pēc standarta Lielā sprādziena modeļa: rodas karsta viela un starojums, notiek strauja inflācija, un tad viss atdziest - un veidojas tādas struktūras kā galaktikas, zvaigznes un planētas. Tomēr Šteinhards un Turoks apgalvo, ka starp šīm branām, ko viņi sauc par starpbrānām, vienmēr pastāv kāda mijiedarbība: tas savelk tās kopā, liekot tām atkal sadurties un radīt nākamo Lielo sprādzienu.

Steinhardta un Turoka modelis tomēr apstrīd dažus Lielā sprādziena modeļa pieņēmumus. Piemēram, pēc viņu domām, Lielais sprādziens nebija telpas un laika sākums, bet gan pāreja no agrākas evolūcijas fāzes. Ja mēs runājam par Lielā sprādziena modeli, tad tas saka, ka šis notikums iezīmēja telpas un laika kā tāda tūlītēju sākumu. Turklāt šajā sadursmju ciklā Visuma liela mēroga struktūra ir jānosaka pēc saspiešanas fāzes: tas ir, tas notiek pirms to sadursmes un nākamā Lielā sprādziena. Saskaņā ar Lielā sprādziena teoriju Visuma liela mēroga uzbūvi nosaka straujas izplešanās (inflācijas) periods, kas notika neilgi pēc sprādziena. Turklāt Lielā sprādziena modelis neparedz, cik ilgi Visums pastāvēs, un Šteinharda modelī katra cikla ilgums ir aptuveni triljons gadu.

Labā lieta Visuma cikliskajā modelī ir tā, ka atšķirībā no Lielā sprādziena modeļa tas var izskaidrot tā saukto kosmoloģisko konstanti. Šīs konstantes lielums ir tieši saistīts ar Visuma paātrināto izplešanos: tas izskaidro, kāpēc telpa izplešas tik strauji. Saskaņā ar novērojumiem kosmoloģiskās konstantes vērtība ir ļoti maza. Vēl nesen tika uzskatīts, ka tā vērtība ir par 120 kārtām mazāka, nekā prognozēja standarta Lielā sprādziena teorija. Šī atšķirība starp novērojumiem un teoriju jau sen ir bijusi viena no lielākajām problēmām mūsdienu kosmoloģijā. Taču ne tik sen tika iegūti jauni dati par Visuma izplešanos, saskaņā ar kuriem tas izplešas ātrāk, nekā tika uzskatīts līdz šim. Atliek gaidīt jaunus novērojumus un jau iegūto datu apstiprinājumu (vai atspēkošanu).

Stīvens Veinbergs, 1979. gada Nobela prēmijas laureāts, mēģina izskaidrot atšķirību starp modeļa novērošanu un prognozēšanu, izmantojot tā saukto antropisko principu. Pēc viņa teiktā, kosmoloģiskās konstantes vērtība ir nejauša un dažādās Visuma daļās atšķiras. Mums nevajadzētu brīnīties, ka dzīvojam tik retā vietā, kur novērojam nelielu šīs konstantes vērtību, jo tikai ar šo vērtību var attīstīties zvaigznes, planētas un dzīvība. Tomēr daži fiziķi nav apmierināti ar šo skaidrojumu, jo trūkst pierādījumu, ka šī vērtība ir atšķirīga citos novērojamā Visuma reģionos.

Līdzīgu modeli astoņdesmitajos gados izstrādāja amerikāņu fiziķis Lerijs Ebots. Tomēr viņa modelī kosmoloģiskās konstantes samazināšanās līdz zemām vērtībām bija tik ilga, ka visa matērija Visumā šādā laika posmā izkliedētu telpā, atstājot to faktiski tukšu. Saskaņā ar Steinharda un Turoka ciklisko Visuma modeli, iemesls, kāpēc kosmoloģiskās konstantes vērtība ir tik maza, ir tas, ka sākotnēji tā bija ļoti liela, bet laika gaitā ar katru jaunu ciklu tā samazinājās. Citiem vārdiem sakot, ar katru lielo sprādzienu matērijas un starojuma daudzums Visumā tiek "uz nulli", bet ne kosmoloģiskā konstante. Daudzu ciklu laikā tā vērtība ir samazinājusies, un šodien mēs novērojam tieši šo vērtību (5, 98 x 10-10 J / m3).

Intervijā Nīls Turoks par savu un Šteinharda cikliskā Visuma modeli runāja šādi:

Mēs esam ierosinājuši mehānismu, kurā superstīgu teorija un M-teorija (mūsu labākās apvienotās kvantu gravitācijas teorijas) ļauj Visumam iziet cauri Lielajam sprādzienam. Bet, lai saprastu, vai mūsu pieņēmums ir pilnībā konsekvents, ir nepieciešams turpmāks teorētiskais darbs.

Zinātnieki cer, ka, attīstoties tehnoloģijām, radīsies iespēja pārbaudīt šo teoriju kopā ar citām. Tātad saskaņā ar standarta kosmoloģisko modeli (ΛCDM) neilgi pēc Lielā sprādziena sekoja periods, kas pazīstams kā inflācija, kas piepildīja Visumu ar gravitācijas viļņiem. 2015. gadā tika reģistrēts gravitācijas viļņa signāls, kura forma sakrita ar Vispārējās relativitātes teorijas prognozi divu melno caurumu (GW150914) saplūšanai. 2017. gadā fiziķiem Kipam Tornam, Raineram Veisam un Barijam Barišam par šo atklājumu tika piešķirta Nobela prēmija. Arī pēc tam tika reģistrēti gravitācijas viļņi, kas radās divu neitronu zvaigžņu (GW170817) saplūšanas rezultātā. Tomēr kosmiskās inflācijas radītie gravitācijas viļņi vēl nav reģistrēti. Turklāt Steinhardt un Turok atzīmē, ka, ja viņu modelis ir pareizs, tad šādi gravitācijas viļņi būs pārāk mazi, lai tos "atklātu".