Цикличен модел на Вселената: дегенерацията на материята се случва безкрайно

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

В началото на 2000-те двама физици от Принстънския университет предложиха космологичен модел, според който Големият взрив не е уникално събитие, но пространство-времето е съществувало много преди да се роди Вселената.

В цикличния модел Вселената преминава през безкраен самоподдържащ се цикъл. През 30-те години на миналия век Алберт Айнщайн излага идеята, че Вселената може да преживее безкраен цикъл от големи взривове и големи компресии. Разширяването на нашата вселена може да е резултат от срива на предшестващата вселена. В рамките на този модел можем да кажем, че Вселената се е възродила от смъртта на своя предшественик. Ако е така, значи Големият взрив не е нещо уникално, той е само една малка експлозия сред безкраен брой други. Цикличната теория не замества непременно теорията за Големия взрив; по-скоро тя се опитва да отговори на други въпроси: например какво се е случило преди Големия взрив и защо Големият взрив доведе до период на бързо разширяване?

Един от новите циклични модели на Вселената е предложен от Пол Щайнхард и Нийл Турок през 2001 г. Щайнхард описва този модел в статията си, наречена Цикличният модел на Вселените. В теорията на струните, мембрана или "брана" е обект, който съществува в редица измерения. Според Steinhardt и Turok трите пространствени измерения, които виждаме, съответстват на тези брани. Две 3D брани могат да съществуват паралелно, разделени от допълнително, скрито измерение. Тези брани - те могат да се разглеждат като метални пластини - могат да се движат по това допълнително измерение и да се сблъскват един с друг, създавайки Големия взрив и следователно вселените (като нашата). Когато се сблъскат, събитията се развиват според стандартния модел на Големия взрив: създават се гореща материя и радиация, настъпва бързо надуване и след това всичко се охлажда - и се образуват такива структури като галактики, звезди и планети. Въпреки това, Steinhardt и Turok твърдят, че винаги има някакво взаимодействие между тези брани, които те наричат междубрани: то ги дърпа заедно, карайки ги да се сблъскат отново и да произведат следващия Голям взрив.

Въпреки това моделът на Щайнхард и Турок оспорва някои от предположенията на модела Големия взрив. Например, според тях Големият взрив не е началото на пространството и времето, а по-скоро преход от по-ранна фаза на еволюцията. Ако говорим за модела Големия взрив, тогава той казва, че това събитие бележи непосредственото начало на пространството и времето като такива. Освен това, в този цикъл от сблъскващи се брани, мащабната структура на Вселената трябва да бъде определена от фазата на компресия: тоест това се случва преди те да се сблъскат и да настъпи следващият Голям взрив. Според теорията за Големия взрив, мащабната структура на Вселената се определя от период на бързо разширяване (инфлация), настъпил малко след експлозията. Освен това моделът на Големия взрив не предвижда колко дълго ще съществува Вселената, а в модела на Щайнхард продължителността на всеки цикъл е около трилион години.

Хубавото на цикличния модел на Вселената е, че за разлика от модела на Големия взрив, той може да обясни така наречената космологична константа. Величината на тази константа е пряко свързана с ускореното разширяване на Вселената: тя обяснява защо пространството се разширява толкова бързо. Според наблюденията стойността на космологичната константа е много малка. Доскоро се смяташе, че стойността му е със 120 порядъка по-малка от прогнозираната от стандартната теория за Големия взрив. Тази разлика между наблюдението и теорията отдавна е един от най-големите проблеми в съвременната космология. Не толкова отдавна обаче бяха получени нови данни за разширяването на Вселената, според които тя се разширява по-бързо, отколкото се смяташе досега. Остава да се изчакат нови наблюдения и потвърждение (или опровержение) на вече получените данни.

Стивън Вайнбърг, лауреат на Нобелова награда за 1979 г., се опитва да обясни разликата между наблюдението и прогнозирането на модел, използвайки така наречения антропен принцип. Според него стойността на космологичната константа е случайна и се различава в различните части на Вселената. Не бива да се учудваме, че живеем в толкова рядка област, където наблюдаваме малка стойност на тази константа, тъй като само с тази стойност могат да се развиват звезди, планети и живот. Някои физици обаче не са доволни от това обяснение поради липсата на доказателства, че тази стойност е различна в други региони на наблюдаваната Вселена.

Подобен модел е разработен от американския физик Лари Абът през 80-те години на миналия век. В неговия модел обаче намаляването на космологичната константа до ниски стойности е било толкова дълго, че цялата материя във Вселената за такъв период ще се разпръсне в пространството, оставяйки го всъщност празно. Според цикличния модел на Вселената на Щайнхард и Турок, причината стойността на космологичната константа да е толкова малка е, че първоначално е била много голяма, но с течение на времето, с всеки нов цикъл, намалява. С други думи, при всяка голяма експлозия количеството материя и радиация във Вселената се „нулира“, но не и космологичната константа. В продължение на много цикли стойността му е спаднала и днес наблюдаваме точно тази стойност (5, 98 x 10-10 J / m3).

В интервю Нийл Турок говори за своя и на Стайнхард модела на цикличната вселена, както следва:

„Предложихме механизъм, при който теорията на суперструните и М-теорията (най-добрите ни комбинирани теории за квантовата гравитация) позволяват на Вселената да премине през Големия взрив. Но за да разберем дали нашето предположение е напълно последователно, е необходима допълнителна теоретична работа."

Учените се надяват, че с развитието на технологиите ще има възможност да се тества тази теория заедно с други. И така, според стандартния космологичен модел (ΛCDM), период, известен като инфлация, последва малко след Големия взрив, който изпълни Вселената с гравитационни вълни. През 2015 г. беше записан сигнал на гравитационна вълна, чиято форма съвпадна с прогнозата на Общата теория на относителността за сливането на две черни дупки (GW150914). През 2017 г. физиците Кип Торн, Райнер Вайс и Бари Бариш бяха удостоени с Нобелова награда за това откритие. Също така впоследствие бяха записани гравитационни вълни, произтичащи от сливането на две неутронни звезди (GW170817). Все още обаче не са регистрирани гравитационни вълни от космическа инфлация. Освен това Щайнхард и Турок отбелязват, че ако моделът им е правилен, тогава такива гравитационни вълни ще бъдат твърде малки, за да бъдат „открити“.