Odbicie Wszechświata: w przeciwieństwie do Wielkiego Wybuchu

Ludzi zawsze ciągnie dwie główne teorie na temat pochodzenia Wszechświata. "W jednej z nich Wszechświat występuje w jednym momencie stworzenia (jak w иудеохристианской i brazylijskiej kosmogonii)", pisali kosmologów Mario Novello i Santiago Perez-Берглиффа w 2008 roku. W drugiej — "Wszechświat jest wieczna i składa się z nieskończonej serii cykli (jak w kosmogonii babilończyków i egipcjan)". Podział we współczesnej kosmologii "w jakiś sposób echem odbija się echem космогоническим mitów", pisali kosmologów.

Może się wydawać, że szczególnej konfrontacji w ciągu ostatnich kilku lat nie było. Teoria Wielkiego Wybuchu, standardowy motyw w podręcznikach i programach telewizyjnych, cieszy się silnym poparciem u współczesnych kosmologów. Obraz wiecznego wszechświata była zaleca się około stu lat temu, ale straciła poparcie, gdy astronomowie zobaczyli, że wszechświat się rozszerza, a że był mały i łatwy 14 miliardów lat temu. W najbardziej popularnej współczesnej wersji tej teorii Wielki Wybuch rozpoczął się od tzw. "kosmicznej inflacji" — wybuchu gwałtownego rozszerzenia, w trakcie którego nieskończenie mały kawałek przestrzeni-czasu rozrósł się w ogromny, płaski, макроскопический kosmos, który od tego czasu ciągle się rozwijać.

Dzisiaj, korzystając z jednego podstawowego składnika (инфлатонное polu), inflacyjne modele odtwarzają wiele znanych części kosmosu. Ale jako historii pochodzenia teoria inflacji traci w dużej mierze: nie jest jasne, co ją poprzedzało i było przed. Wielu teoretyków uważa, że инфлатонное pole powinno w naturalny sposób zmieścić się w lepszy, choć na razie nieznane, teorię pochodzenia czasu.

W Ciągu ostatnich kilku lat coraz więcej kosmologów nierdzewnej ostrożnie przeglądu alternatywę. Mówią, że Wielki Wybuch mógł być... Dużą Odbicia. Niektóre kosmologów wolą widzieć obraz, w którym Wszechświat się rozszerza i kurczy się cyklicznie jakby lekkie, odbijając się za każdym razem, gdy kurczy się do określonego rozmiaru; inni sugerują, że kosmos odbił się tylko raz — i co on сжимался do odbicia przez nieskończenie długi czas i będzie się rozszerzać w nieskończoność długo po tym. W każdym modelu czas nadal płynie w przeszłość i przyszłość, bez końca.

Z nowoczesną nauką jest nadzieja pozwól tę starożytną dyskusję. W najbliższych latach teleskopy powinny znaleźć przekonujące dowody kosmicznej inflacji. Podczas pierwszego bujnego rozwoju — jeśli był — kwantowa fale na tkaninie czasoprzestrzeni musiała się rozciągnąć i отпечататься w postaci małych zawirowań w polaryzacji starożytnego świata — kosmicznego mikrofalowego tła. Eksperymenty z udziałem obecnych i przyszłych teleskopów szukają te zawirowania. Jeśli ich nie znajdą w ciągu następnych kilku dekad, to również nie będzie to oznaczać, że teoria inflacji jest niepoprawna (w końcu te zawirowania mogą zbyt nudne), ale wzmocni pozycje kosmologii odbicia, dla którego tych zawirowań nie powinno być.

Kilka grup naukowców jednocześnie osiągnąć zdumiewający postęp. W zeszłym roku fizyki utożsamiali dwa nowe warianty ewentualnego odbicia. Jeden z modeli, opisany w pracy, która ukazała się w " Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, była reprezentowana przez Annę Идджас z Columbia university, w jej kontynuacja poprzedniej pracy wspólnie z космологом Podłogą Штейнхардтом. Nieoczekiwanie, ale inne nowe rozwiązanie z daleka, przyjęte do publikacji w Physical Review D, zaproponowano Peterem Grahamem, Davidem Капланом i Сурджитом Рахендраном, dobrze znanej trójką naukowców, którzy zajmowali się więcej pytań fizyki cząstek i nie mieli stosunku do społeczności kosmologów odbicia.

W Ogóle, to pytanie zyskał nową wartość w 2001 roku, kiedy Штейнхардт i jeszcze trzy космолога stwierdził, że okres powolnej kompresji w historii Wszechświata może wyjaśnić jej wyjątkową gładkość i płaszczyzny, które obserwujemy dzisiaj, nawet po odbiciu — bez konieczności podłączania inflacji.

Perfekcyjna prostota wszechświata, fakt, że żaden obszar nieba nie zawiera więcej materii, niż jakakolwiek inna, i że przestrzeń jest tak płaska, jak mogą widzieć teleskopy, — wszystko to jest niesamowite i niewytłumaczalne. Aby przestrzeń była tak jednolita, jak to jest, eksperci uważają, że gdy kosmos był centymetr średnicy, powinien mieć taką samą gęstość wszędzie w obrębie jednej części na 100 000. Ale w miarę wzrostu z małych rozmiarów, materia i energia powinny były natychmiast комковаться i zniekształcać przestrzeń-czas. Dlaczego nasze teleskopy nie widzą wszechświat, zniszczone grawitacją?

"Inflacja wyszła z te pomysły, że płynność i płaszczyzna wszechświata — to szaleństwo", mówi космолог Neil Turok, dyrektor Instytutu teoretyczne fizyki Obwodu w Waterloo, Ontario, i współautor pracy z 2001 roku na temat kosmicznego kompresji, napisanej Штейнхардтом, Justinem Хоури i Burtem Оврутом. Według scenariusza inflacji, region wielkości centymetra wyszedł w procesie inflacji strategię bezpośredniego dany jeszcze mniejszego regionu — małej plamce o wymiarach nie więcej niż jedną триллионной od триллионной ułamek centymetra. Rozciąganie w płaskiej i gładkiej инфлатонном polu, to punkcik nie musiało przechodzić przez silne fluktuacje czasu i przestrzeni i jest rozłożona na dużą i gładką wszechświat jak nasza. Raman Сундрум, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Maryland, powiedział, że w inflacji mu się podoba "wbudowana odporność". Jeśli w trakcie fazy gwałtownego rozwoju i było gromadzenie energii, która искажалоprzestrzeń-czas w określonym miejscu, ta koncentracja miała się szybko rozwinąć.

Ale skąd konkretnie przyszło to niezwykle mały punkcik i dlaczego było tak gładkim i płaskim, nikt nie wie. Teoretycy zakładają wiele możliwych opcji włącz инфлатонное polu teorii strun, na podstawie której może być utworzona kwantowa teoria grawitacji. Ale na razie nie ma faktów ani za, ani przeciw tych pomysłów.

Kosmiczna inflacja ma również kontrowersyjna konsekwencji. Teoria, przedstawione w 1980 roku Alan Гутом, Andrzejem Linda, Aleksiej Старобинским i Штейнхардтом, prawie automatycznie prowadzi do hipotezy o tym, że nasz Wszechświat jest przypadkowy bańki w nieskończonym morzu мультивселенных. Jak tylko inflacja zaczyna się, obliczenia pokazują, że będzie ona trwać wiecznie i zatrzymywać się tylko miejscami, w "кармашках", w których następnie będą się rozwijać wszechświaty typu naszej. Możliwość wiecznie rozszerzający się w procesie inflacji wieloświata podpowiada, że jest to nasz bańka może na zawsze pozostać niezrozumiałe, ponieważ wszystko działo się w wieloświata nieskończoną ilość razy. Oczywiście, taki wniosek wymiotny powoduje chęć u ekspertów. Trudno sobie wyobrazić, że nasz wszechświat może być tylko jedna z wielu. Штейнхардт i sam nazwał ten pomysł "bzdurami".

To stosunek częściowo motywuje go i innych badaczów robić отскоками. "W modelu odbicia nie ma okresu inflacji", mówi Turek. Zamiast tego dodali okres kompresji przed Wielkim Wybuchem, który wyjaśnia nasze jednorodną wszechświat. "Jak gaz w swoim pokoju w pełni jednorodne, ponieważ cząsteczki powietrza do czynienia i mieszali, tak i Wszechświat był ogromny i powoli wyciśnięty, co dało jej czas разгладиться".

Choć pierwsze modele kurczącej się Wszechświata były mylące i nieprecyzyjne, wiele naukowcy przekonali się w głównym założeniu: że powolne ściskanie może wyjaśnić wiele cech naszej rozszerzający się Wszechświat. "I wtedy wąskim бутылочным szyjką stał się odbicia. Ludzie zgodzili się, że przejście do fazy kompresji bardzo ciekawe, ale nie w tym przypadku, jeśli nie można przejść w fazę ekspansji".

Bounce — to nie jest łatwe. W latach 1960-tych brytyjskie fizyki Roger Penrose i Stephen Hawking udowodnił zestaw tak zwanych "twierdzeń o osobliwości", które wskazują, że w bardzo ogólnych warunkach kompresji materii i energii nieuchronnie skończy się niezmiernie gęste punktem — liczby pojedynczej. Te twierdzenia z trudem mogą pomieścić pomysł, jak сжимающаяся wszechświat, w którym materia, przestrzeń, czas i energia zwijają się do środka, unika upadku do osobliwości — w której klasyczna teoria grawitacji i przestrzeni-czasu Albert Einstein przestaje funkcjonować i w którym zaczynają pracować zasady grawitacji kwantowej. Dlaczego сжимающаяся wszechświat będzie w stanie uniknąć losu masywnej gwiazdy, która umiera, poruszenia, przez wiązania w punkt, i staje się czarną dziurą?

Obie proponowanych modeli odbicia wykorzystują luki w теоремах o osobliwości — te, które przez wiele lat wydawały się тупиковыми. Kosmologów odbicia dawno uznali, że łapówki mogą być możliwe, gdyby wszechświat zawierał substancję z negatywną energią (lub inne źródła ujemnego ciśnienia), które противодействовало grawitacji i odpychane wszystko. Naukowcy starali się wykorzystać tę lukę z początku 2000 roku, ale zawsze przychodzili do tego, że dodawanie składników z negatywną energią sprawia, że ich modele wszechświata niestabilnych, bo kwantowe fluktuacje pozytywnej i negatywnej energii mogą spontanicznie rodzić się w próżni kosmosu o zerowej energii. W 2016 roku rosyjski космолог Walery Рубаков i jego koledzy nawet udowodnili twierdzenie, która wykluczyła duży klasa mechanizmów odbicia.

Następnie Идджас znalazła mechanizm odbicia, które może obejść i to jest wyjątek. Kluczowy składnik w jej modelu — prosta istota, "skalarnego pola", które, w założeniu, mogło wchodzić w grę, gdy wszechświat kurczyła się i energia stawała się высококонцентрированной. Skalarne pole mogło ukryć się w polu grawitacyjnym w taki sposób, aby wywierać negatywną presję na wszechświat, hamując na ściskanie i rozciąganie przestrzeń-czas. Praca Идджас — "najlepsza próba ograniczyć wszystkie możliwe niestabilności i stworzyć naprawdę stabilny model z tym szczególnym rodzajem substancji", mówi Jean-Luc Лейнерс, космолог-teoretyk z Instytutu fizyki grawitacyjnej Maxa Plancka w Niemczech, który również pracował nad zmianami odbicia.

Graham, Kaplan i Рахендран przedstawili swój pomysł nie-szczególnej locus odbicia w препринте na miejscu arxiv.org we wrześniu 2017 roku. Swoją pracę zaczęli od pytania o to, czy to możliwe, że poprzednia faza sprężania w historii wszechświata wyjaśnić wartość stała kosmologiczna — bardzo niewielkiej liczby, która określa ilość ciemnej energii, wszytym w materiał czasu i przestrzeni, energii, która popycha przyśpieszający rozszerzanie się wszechświata.

Pracując nad najtrudniejsze — odbicia — trójka naukowców wykorzystała drugą, w dużej mierze zapomniane lukę w теоремах osobliwości. Oni czerpali inspirację z dziwnej modelu wszechświata, proponowanej przez логиком Kurtem Геделем w 1949 roku, kiedy to wraz z Einsteinem pracował w Instytucie zaawansowanych studiów w Princeton. Гедель użył prawa ogólnej teorii względności do tworzenia teorii obrotowy wszechświata, obrót której trzymał ją od grawitacyjnego kolapsu dokładnie tak samo, jak orbita Ziemi nie daje jej spaść naSłońce. Гедель szczególnie podkreślał fakt, że jego obrotowe wszechświat można było "zamknięte времениподобные krzywe", czyli w istocie pętli czasu. Aż do śmierci uważał, że wszechświat obraca się dokładnie tak, jak sugeruje jego model. Dziś naukowcy wiedzą, że to nie prawda; w przeciwnym razie niektóre kierunki i rozporządzenia w kosmosie byłoby korzystne innych. Ale Graham i firma myśli o małych, wirowały wymiarach przestrzennych, które mogą istnieć w przestrzeni, jak sześciu dodatkowych pomiarów, постулируемых teorią strun. Czy może сжимающаяся wszechświat obraca się w tych kierunkach?

Wyobraź sobie, że jest tylko jedno z tych skręconych dodatkowych pomiarów, mały okrąg w każdym punkcie przestrzeni. Jak mówi Graham, "w każdym punkcie przestrzeni istnieje dodatkowy kierunek, w którym można się poruszać, czwartego wymiaru przestrzennego, ale można przejść tylko niewielką odległość i wrócić do miejsca, z którego zaczynaliśmy ruch". Jeśli kompaktowych dodatkowych pomiarów będzie co najmniej trzy, w miarę kurczenia się wszechświata materia i energia mogą zacząć się kręcić w nich, i same pomiary będą kręcić z materią i energią. Obrót w dodatkowych wymiarach może nagle do zainicjowania odbicia. "Wszystko to substancja, która musi ściskać się w osobliwość, z powodu obrotu w dodatkowych wymiarach nie trafi tam", mówi Graham. "Wszystko to substancja powinno ściskać się w jednym punkcie, ale zamiast tego ona odleci daleko".

Praca naukowców zwróciło uwagę ludzi za granicę zwykłego kręgu kosmologów odbicia. Sean Carroll, fizyk-teoretyk z Kalifornijskiego instytutu technologicznego, odnosi się do niej sceptycznie, ale nazywa ideę "bardzo inteligentny". On uważa, że ważne jest tworzenie alternatywy dla tradycyjnej historii inflacji, aby zrozumieć, jak najlepiej teoria inflacji będzie wyglądać świetnie w porównaniu — zwłaszcza, gdy zostaną uruchomione teleskopy nowej generacji. On również uważa, że jeśli ma alternatywnej teorii będzie przynajmniej 5% szansy na sukces, warto ją sprawdzić. I ta praca nie jest wyjątkiem.