Ciklični model svemira: degeneracija materije se događa beskonačno

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Početkom 2000-ih, dvojica fizičara sa Sveučilišta Princeton predložila su kozmološki model, prema kojem Veliki prasak nije jedinstven događaj, već je prostor-vrijeme postojalo mnogo prije nego što je svemir rođen.

U cikličkom modelu, svemir prolazi kroz beskonačan samoodrživi ciklus. U 1930-ima, Albert Einstein iznio je ideju da svemir može doživjeti beskonačan ciklus velikih praska i velikih kompresija. Širenje našeg svemira može biti rezultat kolapsa prethodnog svemira. U okviru ovog modela možemo reći da je Svemir ponovno rođen iz smrti svog prethodnika. Ako je tako, onda Veliki prasak nije bio nešto jedinstveno, to je samo jedna manja eksplozija među beskonačnim brojem drugih. Ciklička teorija ne zamjenjuje nužno teoriju Velikog praska, već pokušava odgovoriti na druga pitanja: na primjer, što se dogodilo prije Velikog praska i zašto je Veliki prasak doveo do razdoblja brzog širenja?

Jedan od novih cikličkih modela svemira predložili su Paul Steinhardt i Neil Turok 2001. godine. Steinhardt je opisao ovaj model u svom članku, koji se zvao Ciklični model univerzuma. U teoriji struna, membrana ili "brana" je objekt koji postoji u brojnim dimenzijama. Prema Steinhardtu i Turoku, tri prostorne dimenzije koje vidimo odgovaraju tim branama. Dvije 3D brane mogu postojati paralelno, odvojene dodatnom, skrivenom dimenzijom. Ove brane - mogu se smatrati metalnim pločama - mogu se kretati duž ove dodatne dimenzije i sudarati se jedna s drugom, stvarajući Veliki prasak, a time i svemire (poput našeg). Kada se sudare, događaji se odvijaju prema standardnom modelu Velikog praska: stvaraju se vruća tvar i zračenje, dolazi do brzog napuhavanja, a zatim se sve hladi - i nastaju strukture poput galaksija, zvijezda i planeta. Međutim, Steinhardt i Turok tvrde da uvijek postoji neka interakcija između ovih brana, koju oni zovu međubrane: ona ih povlači zajedno, uzrokujući da se ponovno sudare i proizvedu sljedeći Veliki prasak.

Steinhardtov i Turokov model ipak dovodi u pitanje neke od pretpostavki modela Velikog praska. Na primjer, prema njima, Veliki prasak nije bio početak prostora i vremena, već prijelaz iz ranije faze evolucije. Ako govorimo o modelu Velikog praska, onda on govori da je ovaj događaj označio neposredan početak prostora i vremena kao takvog. Osim toga, u ovom ciklusu sudarajućih brana, struktura svemira velikih razmjera mora biti određena fazom kompresije: to se događa prije nego što se sudare i dogodi se sljedeći Veliki prasak. Prema teoriji Velikog praska, struktura svemira velikih razmjera određena je razdobljem brzog širenja (inflacije), koje se dogodilo ubrzo nakon eksplozije. Štoviše, model Velikog praska ne predviđa koliko dugo će svemir postojati, a u Steinhardtovom modelu trajanje svakog ciklusa je oko trilijun godina.

Dobra stvar kod cikličkog modela Svemira je što, za razliku od modela Velikog praska, može objasniti takozvanu kozmološku konstantu. Veličina ove konstante izravno je povezana s ubrzanim širenjem Svemira: objašnjava zašto se prostor tako brzo širi. Prema opažanjima, vrijednost kozmološke konstante je vrlo mala. Donedavno se vjerovalo da je njegova vrijednost 120 redova veličine manja od predviđene standardnom teorijom Velikog praska. Ova razlika između promatranja i teorije dugo je bila jedan od najvećih problema u modernoj kozmologiji. Međutim, ne tako davno dobiveni su novi podaci o širenju Svemira, prema kojima se širi brže nego što se mislilo. Ostaje čekati nova zapažanja i potvrdu (ili pobijanje) već dobivenih podataka.

Steven Weinberg, nobelovac iz 1979., pokušava objasniti razliku između promatranja i predviđanja modela koristeći takozvani antropski princip. Prema njemu, vrijednost kozmološke konstante je slučajna i razlikuje se u različitim dijelovima Svemira. Ne trebamo se čuditi što živimo u tako rijetkom području gdje opažamo malu vrijednost ove konstante, jer se samo uz tu vrijednost mogu razvijati zvijezde, planeti i život. Neki fizičari, međutim, nisu zadovoljni ovim objašnjenjem zbog nedostatka dokaza da je ta vrijednost drugačija u drugim regijama u vidljivom Svemiru.

Sličan model razvio je američki fizičar Larry Abbott 1980-ih. Međutim, u njegovom modelu, smanjenje kozmološke konstante na niske vrijednosti bilo je toliko dugo da bi se sva materija u Svemiru tijekom takvog razdoblja raspršila u svemiru, ostavljajući ga, zapravo, praznim. Prema Steinhardtovom i Turokovom cikličkom modelu Svemira, razlog zašto je vrijednost kozmološke konstante tako mala je taj što je u početku bila vrlo velika, ali se s vremenom, sa svakim novim ciklusom, smanjivala. Drugim riječima, sa svakom velikom eksplozijom, količina materije i radijacije u Svemiru se „smanjuje na nulu“, ali ne i kozmološka konstanta. Tijekom mnogih ciklusa njegova vrijednost je opala, a danas promatramo upravo tu vrijednost (5,98 x 10-10 J/m3).

Neil Turok je u jednom intervjuu govorio o svom i Steinhardtovom modelu cikličkog svemira na sljedeći način:

“Predložili smo mehanizam u kojem teorija superstruna i M-teorija (naše najbolje kombinirane teorije kvantne gravitacije) dopuštaju svemiru da prođe kroz Veliki prasak. Ali da bismo razumjeli je li naša pretpostavka u potpunosti konzistentna, potreban je daljnji teorijski rad."

Znanstvenici se nadaju da će s razvojem tehnologije biti prilike testirati ovu teoriju zajedno s drugima. Dakle, prema standardnom kozmološkom modelu (ΛCDM), razdoblje poznato kao inflacija uslijedilo je ubrzo nakon Velikog praska, koji je ispunio svemir gravitacijskim valovima. 2015. godine zabilježen je signal gravitacijskog vala čiji se oblik poklopio s predviđanjem Opće relativnosti za spajanje dviju crnih rupa (GW150914). Godine 2017. fizičari Kip Thorne, Rainer Weiss i Barry Barish dobili su Nobelovu nagradu za ovo otkriće. Također su naknadno zabilježeni gravitacijski valovi koji su proizašli iz događaja spajanja dviju neutronskih zvijezda (GW170817). Međutim, gravitacijski valovi iz kozmičke inflacije još nisu zabilježeni. Štoviše, Steinhardt i Turok primjećuju da će, ako je njihov model ispravan, takvi gravitacijski valovi biti premali da bi se mogli "otkriti".