Cyklický model vesmíru: degenerácia hmoty prebieha donekonečna

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Začiatkom roku 2000 navrhli dvaja fyzici z Princetonskej univerzity kozmologický model, podľa ktorého Veľký tresk nie je jedinečnou udalosťou, ale časopriestor existoval dávno pred zrodom vesmíru.

V cyklickom modeli vesmír prechádza nekonečným samoudržiavacím cyklom. V tridsiatych rokoch minulého storočia Albert Einstein predložil myšlienku, že vesmír môže zažiť nekonečný cyklus veľkých treskov a veľkých kompresií. Rozpínanie nášho vesmíru môže byť výsledkom kolapsu predchádzajúceho vesmíru. V rámci tohto modelu môžeme povedať, že vesmír sa znovuzrodil zo smrti svojho predchodcu. Ak áno, potom Veľký tresk nebol niečím jedinečným, je to len jeden menší výbuch medzi nekonečným množstvom iných. Cyklická teória nevyhnutne nenahrádza teóriu Veľkého tresku, skôr sa snaží odpovedať na iné otázky: napríklad, čo sa stalo pred Veľkým treskom a prečo viedol Veľký tresk k obdobiu rýchlej expanzie?

Jeden z nových cyklických modelov vesmíru navrhli Paul Steinhardt a Neil Turok v roku 2001. Steinhardt opísal tento model vo svojom článku, ktorý sa volal Cyklický model vesmíru. V teórii strún je membrána alebo "brána" objekt, ktorý existuje v mnohých dimenziách. Podľa Steinhardta a Turoka tieto tri priestorové rozmery, ktoré vidíme, zodpovedajú týmto bránam. Dve 3D brány môžu existovať paralelne, oddelené dodatočným skrytým rozmerom. Tieto brány - možno ich považovať za kovové platne - sa môžu pohybovať po tejto extra dimenzii a navzájom sa zrážať, čím vytvárajú Veľký tresk, a teda vesmíry (ako je ten náš). Keď sa zrazia, udalosti sa rozvinú podľa štandardného modelu veľkého tresku: vytvorí sa horúca hmota a žiarenie, dôjde k rýchlej inflácii a potom sa všetko ochladí - a vznikajú také štruktúry, ako sú galaxie, hviezdy a planéty. Steinhardt a Turok však tvrdia, že medzi týmito bránami vždy existuje určitá interakcia, ktorú nazývajú medzibrane: stiahne ich k sebe, čo spôsobí, že sa znova zrazia a spôsobia ďalší Veľký tresk.

Steinhardtov a Turokov model napriek tomu spochybňuje niektoré predpoklady modelu veľkého tresku. Napríklad Veľký tresk nebol podľa nich začiatkom priestoru a času, ale skôr prechodom zo skoršej fázy evolúcie. Ak hovoríme o modeli Veľkého tresku, tak ten hovorí, že táto udalosť znamenala bezprostredný začiatok priestoru a času ako takého. Okrem toho v tomto cykle kolízií bran musí byť rozsiahla štruktúra vesmíru určená fázou kompresie: to znamená, že k tomu dôjde predtým, ako sa zrazia a dôjde k ďalšiemu veľkému tresku. Podľa teórie veľkého tresku je veľkorozmerná štruktúra vesmíru určená obdobím rýchlej expanzie (inflácie), ktorá nastala krátko po výbuchu. Navyše, model veľkého tresku nepredpovedá, ako dlho bude vesmír existovať, a v Steinhardtovom modeli je trvanie každého cyklu približne bilión rokov.

Dobrá vec na cyklickom modeli vesmíru je, že na rozdiel od modelu veľkého tresku dokáže vysvetliť takzvanú kozmologickú konštantu. Veľkosť tejto konštanty priamo súvisí so zrýchlenou expanziou vesmíru: vysvetľuje, prečo sa priestor tak rýchlo rozširuje. Podľa pozorovaní je hodnota kozmologickej konštanty veľmi malá. Až donedávna sa verilo, že jeho hodnota je o 120 rádov menšia, ako predpovedala štandardná teória veľkého tresku. Tento rozdiel medzi pozorovaním a teóriou je už dlho jedným z najväčších problémov modernej kozmológie. Nie je to však tak dávno, čo sa podarilo získať nové údaje o rozpínaní vesmíru, podľa ktorých sa rozpína rýchlejšie, ako sa doteraz predpokladalo. Zostáva čakať na nové pozorovania a potvrdenie (alebo vyvrátenie) už získaných údajov.

Steven Weinberg, laureát Nobelovej ceny za rok 1979, sa pokúša vysvetliť rozdiel medzi pozorovaním a predpovedaním modelu pomocou takzvaného antropického princípu. Hodnota kozmologickej konštanty je podľa neho náhodná a v rôznych častiach Vesmíru sa líši. Nečudujme sa, že žijeme v tak vzácnej oblasti, kde pozorujeme malú hodnotu tejto konštanty, keďže len s touto hodnotou sa môžu vyvíjať hviezdy, planéty a život. Niektorí fyzici však nie sú spokojní s týmto vysvetlením kvôli nedostatku dôkazov, že táto hodnota je v iných oblastiach pozorovateľného vesmíru iná.

Podobný model vyvinul americký fyzik Larry Abbott v 80. rokoch minulého storočia. V jeho modeli však bol pokles kozmologickej konštanty na nízke hodnoty taký dlhý, že všetka hmota vo vesmíre by sa počas takého obdobia rozptýlila v priestore a zostala by v skutočnosti prázdna. Podľa Steinhardtovho a Turokovho cyklického modelu Vesmíru je dôvod, prečo je hodnota kozmologickej konštanty taká malá, že spočiatku bola veľmi veľká, no postupom času s každým novým cyklom klesala. Inými slovami, s každým veľkým výbuchom sa množstvo hmoty a žiarenia vo vesmíre „vynuluje“, ale nie kozmologická konštanta. V priebehu mnohých cyklov jeho hodnota klesla a dnes pozorujeme presne túto hodnotu (5, 98 x 10-10 J / m3).

V rozhovore Neil Turok hovoril o svojom a Steinhardtovom modeli cyklického vesmíru takto:

„Navrhli sme mechanizmus, v ktorom teória superstrun a M-teória (naše najlepšie kombinované teórie kvantovej gravitácie) umožňujú vesmíru prejsť Veľkým treskom. Aby sme však pochopili, či je náš predpoklad úplne konzistentný, je potrebná ďalšia teoretická práca.

Vedci dúfajú, že s rozvojom technológie bude príležitosť otestovať túto teóriu spolu s ďalšími. Takže podľa štandardného kozmologického modelu (ΛCDM) nasledovalo obdobie známe ako inflácia krátko po Veľkom tresku, ktorý naplnil vesmír gravitačnými vlnami. V roku 2015 bol zaznamenaný signál gravitačnej vlny, ktorého tvar sa zhodoval s predpoveďou Všeobecnej relativity pre zlúčenie dvoch čiernych dier (GW150914). V roku 2017 za tento objav dostali fyzici Kip Thorne, Rainer Weiss a Barry Barish Nobelovu cenu. Aj následne boli zaznamenané gravitačné vlny vychádzajúce z udalosti zlúčenia dvoch neutrónových hviezd (GW170817). Gravitačné vlny z kozmickej inflácie však zatiaľ neboli zaznamenané. Steinhardt a Turok navyše poznamenávajú, že ak je ich model správny, potom budú takéto gravitačné vlny príliš malé na to, aby sa dali „detegovať“.