Jaki był nasz Wszechświat przed Wielkim wybuchem?

Fizykom-теоретикам i dla kosmologów trzeba szukać odpowiedzi na najbardziej fundamentalne pytanie: "Dlaczego tu jesteśmy?", "Kiedy pojawiła się Wszechświat?" i "Jak to się stało?" Jednak pomimo oczywistych znaczenie poszukiwania odpowiedzi na te pytania, mam pytanie, który przyćmiewa ich wszystkich swoim zainteresowaniem: "Co było przed Wielkim wybuchem?".

Powiedzmy szczerze: nie możemy odpowiedzieć na to pytanie. Nikt nie może. Ale przecież nikt nie zabrania spekulować na ten temat i rozważyć kilka ciekawych założeń? Z tym się zgadzam, na przykład Sean Carroll z Kalifornijskiego instytutu technologicznego. W zeszłym miesiącu Carroll brał udział w odbywających się dwa razy w roku spotkania Amerykańskiego astronomicznego społeczności, gdzie zaproponował kilka "предвзрывных" skryptów, których "ostatnim akordem" mogłoby być pojawienie się naszego Wszechświata. Ponownie, to tylko dywagacje, a nie teorii, więc proszę wziąć to pod uwagę.

", jeśli można tak powiedzieć, jeszcze nie działało tych praw fizyki, które są nam znane, bo wtedy ich jeszcze nie było", — mówi Carroll.

"Kiedy fizycy mówią, że nie mają pojęcia, co się wówczas działo, mówią, że to na poważnie. Ten okres historii jest absolutnie nieprzeniknionej ciemności", — zgadza się Peter Voight, fizyk-teoretyk, uniwersyteta Columbia.

Jednym z najbardziej dziwnych właściwości naszego Wszechświata jest to, że ona ma bardzo niskiej entropii. U tego terminu istnieje wiele interpretacji, ale w tym przypadku chodzi o stopniu неупорядоченности. W przypadku Wszechświata porządku w nią więcej, niż bałaganu. Wyobraź sobie bombę, wypełniony piaskiem. Bomba wybucha, i zawarte w nim miliardy miliardów ziaren piasku latać w różne strony – przed tobą w rzeczywistości układ Wielkiego wybuchu.

"Tylko zamiast oczekiwanego ulicznym, разлета te ziarna piasku, reprezentujących materii naszego Wszechświata, natychmiast zamieniają się w wiele gotowych "zamków z piasku", które pojawiły się nie wiadomo w jaki sposób i bez pomocy", — mówi Stefan Кантримен, magistrant / magistrantka uniwersytetu Columbia.

W Wyniku Wielkiego wybuchu mogło (i, być może, miało) być pojawienie się wysokiego poziomu entropii masy w postaci nierównomiernie rozłożonej materii. Jednak zamiast tego widzimy układy gwiezdne, galaktyki i całe galaktyki gromady, połączone między sobą. Widzimy porządek.

Oprócz tego, ważne jest, aby zrozumieć, że entropia, lub неупорядоченность, z czasem mogą tylko rosnąć – ten sam piaszczysta zamek prędzej czy później i bez pomocy znowu rozpadnie się na wiele ziaren piasku. Ponadto, jak wskazuje Carroll, nasza obserwacja czasem bezpośrednio powiązane z poziomem entropii od samego pojawienia się Wszechświata. Przy tym samą entropię można traktować jako rodzaj времязависимое właściwości fizyczne, posiadające tylko jeden kierunek ruchu – w przyszłość.

Tak Więc, entropia, zgodnie z prawami fizyki, może tylko wzrastać, jednak obecny jej poziom we Wszechświecie jest bardzo niski. Zdaniem Carrolla, to może oznaczać tylko jedno: wczesny Wszechświat posiadał jeszcze mniejszą jej poziomem, czyli Wszechświat miała być jeszcze bardziej zorganizowany i uporządkowany. A to, z kolei, może wystąpić na myśl o tym, co było z naszym Wszechświecie właściwie do samego Wielkiego wybuchu.

"Istnieje wiele ludzi, którzy uważają, że wczesny Wszechświat był bardzo prosty, nieciekawa i rysów systemem. Jednak po podłączeniu do tej kwestii entropii, to perspektywa natychmiast się zmienia, i zdajesz sobie sprawę, że w takim przypadku pojawiają się rzeczy, które trzeba wyjaśnić", — nadal Carroll.

Jeśli nawet odrzucimy na bok entropii, to przed nami pozostaną i inne nie mniej ważne aspekty, które należy w jakiś sposób dostosować się pod naszą obecną Wszechświat, w którym żyjemy. Ponadto, w niektórych przypadkach niski poziom entropii wydaje się mniej znaczące, niż w innych. Dlatego spróbujemy rozważyć trzy najbardziej popularnych przypuszczenia o tym, co mogło się dziać z Wszechświata przed Wielkim wybuchem.

Model "Big bounce"

Według jednej z hipotez, niski poziom entropii Wszechświata jest związana z tym, że jej wygląd sam w sobie jest wynikiem rozpadu pewnej "poprzedniej" Wszechświata. W tej hipotezy mówi, że nasz Wszechświat mógł powstać w wyniku szybkiego kompresji ("odbicia"), zarządzanego skomplikowane efekty kwantowej grawitacji (liczby pojedynczej), z kolei породившими Wielki wybuch. To z kolei może mówić o tym, że z równym powodzeniem możemy żyć jak w dowolnym miejscu nieskończonej sekwencji pojawiających się Wszechświatów, i, odwrotnie, w "pierwszej iteracji" Wszechświata.

Ten hipotetyczny model pojawienia się Wszechświata jeszcze czasami nazywany modelem "Dużego odbicia". Pierwsza wzmianka tego terminu brzmi jeszcze w latach 60-tych, jednak w bardziej lub mniej stworzony hipotezę ten model stała się zaledwie 80-tych i na początku lat 90-tych.

Wśród mniej istotnych spornych momentów, model "Big bounce" i wyraźne wady. Na przykład, pomysł upadku w osobliwość jest sprzeczne z ogólnej teorii względności Einsteina – zasad, według których działa grawitacja. Fizycy uważają, że efekt osobliwości może istnieć wewnątrz czarnych dziur, jednak znane nam prawa fizyczne nie mogą zapewnić nam mechanizm, który pozwala wyjaśnić, dlaczego "innym światem",osiągając osobliwości, musi wywołać Wielki wybuch.

"W ogólnej teorii względności nie ma nic, co wskazywało by na «bounce» nowego Wszechświata w wyniku osobliwości", — mówi Sean Carroll.

Jednak nie jest to jedyny duży punkt sporny. Rzecz w tym, że model "Big bounce" oznacza prostoliniowego biegu czasu z malejącej entropii, jednak, jak wspomniano powyżej, entropia z czasem wzrasta. Innymi słowy, według znanych nam praw fizyki, wygląd отскакивающей Wszechświata niemożliwe.

Dalszy rozwój modelu doprowadziło to do powstania hipotezy o tym, że czas we Wszechświecie może być cykliczne. Ale w tym modelu do tej pory nie jest w stanie wyjaśnić, w jaki sposób dzieje się obecnie rozszerzanie się Wszechświata zmienia się jej kompresją. I to niekoniecznie oznacza, że model "Dużego odbicia" jest całkowicie błędna. Jest możliwe, że nasze obecne teorie o niej po prostu słabi i nie do końca przemyślane. W końcu, prawa fizyczne, które mamy teraz, zostały wycofane z uwzględnieniem limitu, zgodnie z którym jesteśmy w stanie obserwować Wszechświata.

Model "Śpiącej" Wszechświata

"być Może, do Wielkiego wybuchu Wszechświat stanowiła pewną bardzo kompaktowe, powoli rozwijającą się statyczną przestrzeń", — teoretyzują takie fizyki, jak Kurt Хинтербихлер, Austin Joyce i Justin Хури.

Ta "предвзрывная" Wszechświat powinna posiadać метастабильным stanem, czyli być stabilne do momentu, aż nie pojawi się jeszcze bardziej stabilny stan. Przez analogię wyobraź sobie przerwy, na skraju którego w stanie wibracji znajduje się głaz. Każde dotknięcie do głazu doprowadzi do tego, że załamie się w przepaść lub — że bliżej do naszego okazji nastąpi Wielki wybuch. Według niektórych teorii "предвзрывная" Wszechświat mógł istnieć w innej formie, np. w formie spłaszczonej i bardzo zwartej przestrzeni. W końcu ten метастабильный okres dobiegł końca: ona nagle rozrosła się i zyskała kształt i stan tego, co widzimy teraz.

"W modelu "śpiącej" Wszechświata, jednak też ma swoje problemy", — mówi Carroll.

Ona też zakłada istnienie naszego Wszechświata pojawienie się niskiego poziomu entropii, a przy tym nie wyjaśnia, dlaczego tak jest".

Jednak Хинтербихлер, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu Case Western Rezerwa, nie uważa, że pojawienie się niskiego poziomu entropii problem.

"My po prostu szukamy wyjaśnienie dynamiki, jaką rejestruje do Wielkiego wybuchu, który wyjaśnia, dlaczego widzimy to, co widzimy teraz. Na razie to tylko jedyne, co nam pozostaje", — mówi Хинтербихлер.

Carroll, jednak uważa, że jest jeszcze jedna teoria "предвзрывной" Wszechświata, która jest w stanie wyjaśnić niski poziom entropii, dostępny w naszym Wszechświecie.

Model "Wieloświata"

Pojawienie się nowych wszechświatów z "macierzystego Wszechświata"

Hipotetyczny model Wieloświata unika niedomówienia, związanych ze spadkiem entropii, jak w przypadku modelu "Dużego odbicia", i daje wyjaśnienie jej niskiego poziomu dzisiaj, mówi Carroll. Bierze swój początek z idei o "inflacji" — dobrze przyjęty, ale niekompletne modelu Wszechświata. Termin "inflacja" i pierwsze wyjaśnienie tego modelu zostały zaproponowane 1981 roku fizyk Alan Гутом, obecnie pracującym w instytucie technologicznym massachusetts. Według tego modelu, przestrzeń po Wielkim wybuchu znacznie się poszerzyła. Tak gwałtownie, że prędkość tego rozszerzenia okazała się powyżej prędkości światła. Według mechaniki kwantowej, w kosmosie ciągle zdarzają się przypadkowe, ledwo zauważalne wahania energii. W pewnym momencie inflacji strategię bezpośredniego okresu szczyty tych wahań osiągnęły maksimum i stały się przyczyną powstawania galaktyk, ubytków i dużych низкоэнтропийных struktur, które dziś obserwujemy we Wszechświecie.

Sama инфляционная model został opracowany na bazie obserwacji kosmicznym реликтовым przebywać w pobliżu kuchenek promieniowania – najstarszym typem promieniowania, powstałą po zaledwie kilkaset tysięcy lat po Wielkim wybuchu. Naukowcy uważają, że инфляционная model dobrze przepowiada jego istnienie.

Według jednego z założeń, wieloświata może być wynikiem inflacji. W założeniu jest mowa o tym, że istnieje jakaś jedna bardzo, bardzo wielki jest Wszechświat, od czasu do czasu dająca bardziej kompaktowe wszechświaty. Przy tym żadna forma komunikacji między tymi wszechświatami jest niemożliwa. Marcus Wu z PBS Nova wyjaśnia:

"Na początku lat 80-tych fizycy doszli do wniosku, że inflacja może mieć naturą nieskończoności, zatrzymując się tylko w niektórych regionach kosmosu, tworząc pewne zamknięte «kieszenie». Jednak między tymi "kieszeniami" inflacja trwa i odbywa się ona szybciej niż z prędkością światła. Z kolei, na białym tle od siebie "kieszenie" z czasem stają się Wszechświatów".

Carroll imponuje przede wszystkim właśnie ten model, choć jego własna proponowany model różni się nieco od tego, co jest opisane powyżej:

"To tylko jedna z wersji teorii wieloświata, jednak główną różnicą jest to, że "Wszechświat nadrzędny" może cechować się wysokim poziomem entropii i tworzy wszechświaty z niskim jej poziomem", — mówi Carroll.

Według tego modelu, przed Wielkim wybuchem nie było jakieś wielkie, poszerzona przestrzeń, zktórego urodziły się w naszej i nieskończenie wiele innych wszechświatów. Inne wszechświaty znajdują się poza granicami naszych możliwości ich wykrywania i mogły powstać zarówno przed, jak i po naszym Wszechświecie.

Należy zauważyć, że w tej chwili jest to jeden z najbardziej popularnych modeli. Jednak naukowcy, oczywiście, inaczej ją postrzegają. Jedni popierają tę ideę, inne, przeciwnie, zupełnie się z nią nie zgadzają. Ale jeśli brać przykład Petera Wójta z Columbia university, teoria Wieloświata, choć wygląda bardzo atrakcyjnej naukowo-popularnej punktu widzenia, ale jest w stanie zrobić fizyków leniwy i zmusić do zaprzestania poszukiwania odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania, na przykład, — dlaczego stałe fizyczne w naszym Wszechświecie jest dokładnie takie, jakie są, — umorzenie wszystkich zmienność.

"Teoretycy debatują na temat możliwości istnienia nieskończonej liczby Wszechświatów, i w końcu możemy dojść do jasnego modeli, w stanie wyjaśnić, dlaczego wartości (jak podstawowych właściwości obserwowanych nami cząstek) mogą się różnić od siebie w każdym poszczególnym Wszechświata", — mówi Wójt.

Voight obawia się, że pewnego dnia, głównym problemem dla nauki w tej dziedzinie staje się rozważanie na temat "jak nam udało się być w tej historii Wszechświata, gdzie wszystko dzieje się tak, a nie inaczej, bez względu na nieskończoną różnorodność możliwości, więc weźmy to przedsięwzięcie z teoriami".

Jaki można podsumować? Wielu fizyki dostają pieniądze za to, że kłócą się i piszą książki, w których starają się opisać, jak Wielki wybuch i model "предвзрывной" Wszechświata są w stanie wyjaśnić to, co widzimy dzisiaj, choć sami nie wiedzą i w rzeczywistości nie mogą wiedzieć, dlaczego tak jest. Fakt w tym, że nawet pomimo poważne uproszczenia jak w matematycznych modelach, tak i wyjaśnieniach, nie zbliżył się do słusznej odpowiedzi, i musimy przeprowadzić jeszcze wiele rozpraw na ten temat, dopóki nie dojdziemy do odpowiedniego wyniku.

"Ważne jest nie tylko wysuwać hipotezy i teorie. Ważniejsze dać do zrozumienia ludziom, że rzeczywiście jesteśmy aż sami nie wiemy, o czym mówimy. To wszystko na razie tylko na poziomie założeń, ale mam nadzieję, że prędzej czy później będziemy w stanie znaleźć odpowiedzi, który zadowoli wszystkich", — mówi Carroll.