Κυκλικό μοντέλο του Σύμπαντος: ο εκφυλισμός της ύλης συμβαίνει ατελείωτα

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, δύο φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον πρότειναν ένα κοσμολογικό μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο η Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι ένα μοναδικό γεγονός, αλλά ο χωροχρόνος υπήρχε πολύ πριν γεννηθεί το σύμπαν.

Στο κυκλικό μοντέλο, το σύμπαν διέρχεται από έναν άπειρο αυτοσυντηρούμενο κύκλο. Στη δεκαετία του 1930, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε την ιδέα ότι το σύμπαν μπορεί να βιώσει έναν ατελείωτο κύκλο από μεγάλα κτυπήματα και μεγάλες συμπιέσεις. Η διαστολή του σύμπαντος μας μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της κατάρρευσης του προηγούμενου σύμπαντος. Στα πλαίσια αυτού του μοντέλου, μπορούμε να πούμε ότι το Σύμπαν αναγεννήθηκε από τον θάνατο του προκατόχου του. Αν ναι, τότε η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν κάτι μοναδικό, είναι απλώς μια μικρή έκρηξη ανάμεσα σε έναν άπειρο αριθμό άλλων. Η κυκλική θεωρία δεν αντικαθιστά απαραίτητα τη θεωρία του Big Bang, αλλά προσπαθεί να απαντήσει σε άλλα ερωτήματα: για παράδειγμα, τι συνέβη πριν από το Big Bang και γιατί το Big Bang οδήγησε σε μια περίοδο ταχείας επέκτασης;

Ένα από τα νέα κυκλικά μοντέλα του Σύμπαντος προτάθηκε από τους Paul Steinhardt και Neil Turok το 2001. Ο Steinhardt περιέγραψε αυτό το μοντέλο στο άρθρο του, το οποίο ονομάστηκε The Cyclic Model of the Univers. Στη θεωρία χορδών, μια μεμβράνη ή "βράνη" είναι ένα αντικείμενο που υπάρχει σε διάφορες διαστάσεις. Σύμφωνα με τους Steinhardt και Turok, οι τρεις χωρικές διαστάσεις που βλέπουμε αντιστοιχούν σε αυτές τις βράνες. Δύο 3D branes μπορούν να υπάρχουν παράλληλα, που χωρίζονται από μια πρόσθετη, κρυφή διάσταση. Αυτές οι βράνες -μπορούν να θεωρηθούν ως μεταλλικές πλάκες- μπορούν να κινηθούν κατά μήκος αυτής της επιπλέον διάστασης και να συγκρουστούν μεταξύ τους, δημιουργώντας τη Μεγάλη Έκρηξη, και επομένως σύμπαντα (όπως το δικό μας). Όταν συγκρούονται, τα γεγονότα εκτυλίσσονται σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης: δημιουργείται θερμή ύλη και ακτινοβολία, εμφανίζεται γρήγορος πληθωρισμός και στη συνέχεια όλα κρυώνουν - και σχηματίζονται δομές όπως γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες. Ωστόσο, οι Steinhardt και Turok υποστηρίζουν ότι υπάρχει πάντα κάποια αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των branes, τις οποίες ονομάζουν inter-brane: τις τραβάει μαζί, προκαλώντας σύγκρουση ξανά και την επόμενη Μεγάλη Έκρηξη.

Ωστόσο, το μοντέλο των Steinhardt και Turok αμφισβητεί ορισμένες από τις υποθέσεις του μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης. Για παράδειγμα, σύμφωνα με αυτούς, η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή του χώρου και του χρόνου, αλλά μάλλον μια μετάβαση από μια προηγούμενη φάση της εξέλιξης. Αν μιλάμε για το μοντέλο του Big Bang, τότε λέει ότι αυτό το γεγονός σηματοδότησε την άμεση αρχή του χώρου και του χρόνου ως τέτοιου. Επιπλέον, σε αυτόν τον κύκλο συγκρουόμενων βράνων, η μεγάλης κλίμακας δομή του Σύμπαντος πρέπει να καθοριστεί από τη φάση συμπίεσης: δηλαδή, αυτό συμβαίνει πριν συγκρουστούν και συμβεί το επόμενο Big Bang. Σύμφωνα με τη θεωρία του Big Bang, η μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος καθορίζεται από μια περίοδο ταχείας διαστολής (πληθωρισμός), η οποία έλαβε χώρα λίγο μετά την έκρηξη. Επιπλέον, το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης δεν προβλέπει πόσο καιρό θα υπάρχει το σύμπαν, και στο μοντέλο Steinhardt η διάρκεια κάθε κύκλου είναι περίπου ένα τρισεκατομμύριο χρόνια.

Το καλό με το κυκλικό μοντέλο του Σύμπαντος είναι ότι, σε αντίθεση με το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, μπορεί να εξηγήσει τη λεγόμενη κοσμολογική σταθερά. Το μέγεθος αυτής της σταθεράς σχετίζεται άμεσα με την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος: εξηγεί γιατί το διάστημα διαστέλλεται τόσο γρήγορα. Σύμφωνα με παρατηρήσεις, η τιμή της κοσμολογικής σταθεράς είναι πολύ μικρή. Μέχρι πρόσφατα, πίστευαν ότι η τιμή του είναι 120 τάξεις μεγέθους μικρότερη από ό,τι προβλεπόταν από την τυπική θεωρία του Big Bang. Αυτή η διαφορά μεταξύ παρατήρησης και θεωρίας είναι από καιρό ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στη σύγχρονη κοσμολογία. Ωστόσο, όχι πολύ καιρό πριν, ελήφθησαν νέα δεδομένα σχετικά με τη διαστολή του Σύμπαντος, σύμφωνα με τα οποία διαστέλλεται ταχύτερα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Απομένει να περιμένουμε νέες παρατηρήσεις και επιβεβαίωση (ή διάψευση) των δεδομένων που έχουν ήδη ληφθεί.

Ο Steven Weinberg, βραβευμένος με Νόμπελ 1979, προσπαθεί να εξηγήσει τη διαφορά μεταξύ παρατήρησης και πρόβλεψης ενός μοντέλου χρησιμοποιώντας τη λεγόμενη ανθρωπική αρχή. Σύμφωνα με αυτόν, η τιμή της κοσμολογικής σταθεράς είναι τυχαία και διαφέρει σε διάφορα μέρη του Σύμπαντος. Δεν πρέπει να μας εκπλήσσει που ζούμε σε μια τόσο σπάνια περιοχή όπου παρατηρούμε μια μικρή τιμή αυτής της σταθεράς, αφού μόνο με αυτήν την τιμή μπορούν να αναπτυχθούν αστέρια, πλανήτες και ζωή. Ορισμένοι φυσικοί, ωστόσο, δεν είναι ικανοποιημένοι με αυτή την εξήγηση λόγω της έλλειψης στοιχείων ότι αυτή η τιμή είναι διαφορετική σε άλλες περιοχές στο παρατηρήσιμο Σύμπαν.

Ένα παρόμοιο μοντέλο αναπτύχθηκε από τον Αμερικανό φυσικό Larry Abbott τη δεκαετία του 1980. Ωστόσο, στο μοντέλο του, η μείωση της κοσμολογικής σταθεράς σε χαμηλές τιμές ήταν τόσο μεγάλη που όλη η ύλη στο Σύμπαν σε μια τέτοια περίοδο θα διασκορπιζόταν στο διάστημα, αφήνοντάς το, στην πραγματικότητα, κενό. Σύμφωνα με το κυκλικό μοντέλο του Σύμπαντος των Steinhardt και Turok, ο λόγος για τον οποίο η τιμή της κοσμολογικής σταθεράς είναι τόσο μικρή είναι ότι αρχικά ήταν πολύ μεγάλη, αλλά με την πάροδο του χρόνου, με κάθε νέο κύκλο, μειώθηκε. Με άλλα λόγια, με κάθε μεγάλη έκρηξη «μηδενίζεται» η ποσότητα της ύλης και της ακτινοβολίας στο Σύμπαν, αλλά όχι η κοσμολογική σταθερά. Σε πολλούς κύκλους, η τιμή του έχει πέσει και σήμερα παρατηρούμε ακριβώς αυτήν την τιμή (5, 98 x 10-10 J / m3).

Σε μια συνέντευξη, ο Neil Turok μίλησε για το μοντέλο του κυκλικού σύμπαντος του ίδιου και του Steinhardt ως εξής:

«Έχουμε προτείνει έναν μηχανισμό στον οποίο η θεωρία των υπερχορδών και η θεωρία Μ (οι καλύτερες συνδυασμένες θεωρίες μας για την κβαντική βαρύτητα) επιτρέπουν στο σύμπαν να περάσει από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά για να καταλάβουμε εάν η υπόθεσή μας είναι πλήρως συνεπής, χρειάζεται περαιτέρω θεωρητική εργασία.»

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, θα υπάρξει η ευκαιρία να δοκιμαστεί αυτή η θεωρία μαζί με άλλες. Έτσι, σύμφωνα με το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο (ΛCDM), μια περίοδος γνωστή ως πληθωρισμός ακολούθησε λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η οποία γέμισε το σύμπαν με βαρυτικά κύματα. Το 2015 καταγράφηκε ένα σήμα βαρυτικού κύματος, το σχήμα του οποίου συνέπεσε με την πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας για τη συγχώνευση δύο μαύρων οπών (GW150914). Το 2017, οι φυσικοί Kip Thorne, Rainer Weiss και Barry Barish τιμήθηκαν με το Νόμπελ για αυτήν την ανακάλυψη. Επίσης, στη συνέχεια, καταγράφηκαν βαρυτικά κύματα που προέρχονται από το γεγονός της συγχώνευσης δύο αστέρων νετρονίων (GW170817). Ωστόσο, τα βαρυτικά κύματα από τον κοσμικό πληθωρισμό δεν έχουν ακόμη καταγραφεί. Επιπλέον, οι Steinhardt και Turok σημειώνουν ότι εάν το μοντέλο τους είναι σωστό, τότε τέτοια βαρυτικά κύματα θα είναι πολύ μικρά για να «ανιχνευθούν».