Γιατί το Σύμπαν μας δεν έχει γενέθλια

Τα κύρια στοιχεία του μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης παρατίθενται "εύκολα", λέει ο Jim Peebles, ομότιμος καθηγητής επιστήμης Albert Einstein στο Princeton. Το μοντέλο υποστηρίζει ότι η μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος διαστέλλεται ολοένα και πιο γρήγορα και ότι, κατά μέσο όρο, το σύμπαν μοιάζει σχεδόν το ίδιο ανεξάρτητα από το πού κοιτάζετε. Το μοντέλο του Big Bang υποθέτει ότι η συμβατική φυσική—συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν, της γενικής σχετικότητας—είναι λίγο πολύ σωστή.

Με αυτό το μοντέλο, αν γυρίσετε την ταινία της ιστορίας προς τα πίσω, το σύμπαν έχει μια αρχή σε μια ασύλληπτα «καυτή, πυκνή κατάσταση» - μια μοναδικότητα - πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Ο χρόνος ξεκινά όταν αυτή η μοναδικότητα εκρήγνυται στη Μεγάλη Έκρηξη. Ο Stephen Hawking έχει πει ότι μπορούμε να «κόψουμε» πιθανά γεγονότα πριν η Μεγάλη Έκρηξη έξω από τις κοσμολογικές μας θεωρίες γιατί δεν υπάρχει τρόπος να τις μετρήσουμε. Αλλά το ερώτημα για το τι, αν μη τι άλλο, προηγήθηκε της Μεγάλης Έκρηξης εξακολουθεί να είναι συναρπαστικό - και για ορισμένους επιστήμονες, είναι θεωρητικά αναπόφευκτο.

Πέρυσι, οι Saurya Das και Ahmed Ali, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Lethbridge στην Αλμπέρτα και στο Πανεπιστήμιο Benha στην Αίγυπτο, αντίστοιχα, δημοσίευσαν μια θεωρία στο Physics Letters B υποστηρίζοντας ότι το σύμπαν, σε αντίθεση με το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, δεν έχει αρχή. Δεν αρνούνται ότι υπήρξε μια «ταχεία απελευθέρωση ενέργειας πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια», αλλά αρνούνται την ύπαρξη μιας αρχικής μοναδικότητας. Ναυτίλος ρώτησε τον Das και τον Ali για το πώς διαμόρφωσαν τη θεωρία τους και για τις επιπτώσεις ενός χωροχρόνου χωρίς αρχή. Οι δύο φυσικοί, μιλώντας ως ένας, μας έστειλαν με email τις απαντήσεις τους.

Γιατί είναι εσφαλμένη η θεωρία του Big Bang;

Σύμφωνα με την τυπική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, το σύμπαν μας ξεκίνησε σε ένα απείρως πυκνό σημείο γνωστό ως «μοναδικότητα». Μια καλή φυσική θεωρία θα πρέπει να απαλλαγεί από τη μοναδικότητα, έτσι οι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου και εμάς, προσπαθούν να διερευνήσουν εάν η κβαντική μηχανική μπορεί να την κάνει να εξαφανιστεί. Στο μοντέλο μας, χρησιμοποιούμε το γεγονός ότι, σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η θέση και η ταχύτητα σχεδόν οτιδήποτε στο σύμπαν μας είναι αβέβαιες -συμπεριλαμβανομένης μιας μοναδικότητας- η οποία επομένως δεν πρέπει να υπάρχει με βεβαιότητα. Υπάρχει και το θέμα του χρόνου — έχει αρχή ο χρόνος; Η τυπική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης λέει ότι το κάνει, ενώ το μοντέλο μας λέει ότι η ηλικία του σύμπαντος είναι άπειρη.

Επίσης, το σύμπαν μας περιέχει σκοτεινή ενέργεια (περίπου 70 τοις εκατό) και σκοτεινή ύλη (περίπου 25 τοις εκατό), των οποίων η προέλευση παραμένει άγνωστη. Το μοντέλο μας προσπαθεί να αντιμετωπίσει και αυτό το πρόβλημα, προτείνοντας ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με ένα ψυχρό και κβαντικό ρευστό γνωστό ως συμπύκνωμα Bose-Einstein, το οποίο μπορεί να εξηγήσει την παρατηρούμενη σκοτεινή ύλη και ενέργεια.

Πώς εξηγείται η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη;

Το προτεινόμενο συμπύκνωμα Bose-Einstein των ελαφρών γκραβιτονίων (σωματίδια που μεσολαβούν στη βαρύτητα) έχει μάζα και πυκνότητα. Υποθέτουμε ότι αυτή η πυκνότητα ευθύνεται για την παρατηρούμενη πυκνότητα της σκοτεινής ύλης. Το συμπύκνωμα, όντας επίσης ένα κβαντικό αντικείμενο, ασκεί μια μικρή κβαντική δύναμη, η οποία θα απουσίαζε αν ο κόσμος ήταν ντετερμινιστικός, όπως πίστευαν ο Νεύτωνας και ο Αϊνστάιν. Υποθέτουμε ότι αυτή η δύναμη, η οποία έχει αρνητική πίεση, ευθύνεται για την παρατηρούμενη σκοτεινή ενέργεια στο σύμπαν μας. Οι υπολογισμοί που έχουμε κάνει μέχρι στιγμής παρέχουν περαιτέρω ποσοτική υποστήριξη σε αυτές τις ταυτοποιήσεις.

Πώς το μοντέλο σας επιλύει τη μοναδικότητα του Big Bang;

Εάν το σύμπαν στο οποίο ζούμε δημιουργήθηκε πράγματι από μια ιδιομορφία πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, δεν υπάρχει τρόπος να πούμε τι συνέβη πριν από αυτήν την εποχή, καθώς οι φυσικές θεωρίες δεν μπορούν να επεκταθούν πέρα ​​από αυτό και οι έννοιες του χώρου και του χρόνου καταρρέουν. Αυτό είναι πρόβλημα! Αντίθετα, κάνουμε πίσω στην ιστορία του σύμπαντός μας χρησιμοποιώντας, όχι την ντετερμινιστική κλασική μηχανική, αλλά χρησιμοποιώντας την κβαντική μηχανική, που αναπτύχθηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα από τους Bohr, Heisenberg, Schrodinger και άλλους. Με αυτό βλέπουμε ότι, ενώ το σύμπαν μας έγινε πολύ μικρό και πυκνό στο παρελθόν, δεν συστέλλεται σε ένα σημείο με άπειρη πυκνότητα, αλλά συνεχίζει πίσω για πάντα. Με άλλα λόγια, η μοναδικότητα αποφεύγεται από εγγενείς κβαντικές αβεβαιότητες. Εάν οι λεπτομερείς προβλέψεις του μοντέλου μας υποστηρίζονται από τρέχουσες και μελλοντικές παρατηρήσεις, μπορεί να προσφέρει μια εναλλακτική λύση στον πληθωρισμό, ο οποίος -αν και είναι επιτυχής στην εξήγηση της παρατηρούμενης ομοιογένειας, ισοτροπίας και επιπεδότητας του σύμπαντός μας- έχει μια σειρά από δικά του σοβαρά προβλήματα .

Το μοντέλο σας προβλέπει ότι το σύμπαν θα υπάρχει για πάντα;

Ναί. Εάν η θεωρία μας είναι σωστή και το κοσμικό συμπύκνωμα Bose-Einstein παραμείνει άθικτο, το σύμπαν θα συνεχίσει να επιταχύνεται, οι γαλαξίες θα απομακρύνονταν ο ένας από τους ορίζοντες του άλλου και θα γίνονταν αόρατοι, ο ουρανός θα γινόταν σκοτεινός και θα υπήρχε ένα άλλο καταστροφικό γεγονός («το μεγάλο σχίσιμο»). Από την άλλη πλευρά, εάν τα θραύσματα του συμπυκνώματος ή διασπαστούν, το σύμπαν θα σταματήσει να επιταχύνεται, θα επιβραδύνει και θα κατέρρεε ξανά σε μικρό όγκο. Μελετάμε και αυτές τις δυνατότητες. Το μοντέλο μας βασίζεται στην τυπική κβαντομηχανική και επομένως συνάδει με τις διάφορες ερμηνείες της. Ένα από αυτά είναι η λεγόμενη ερμηνεία πολλών κόσμων, η οποία υποθέτει παράλληλα σύμπαντα. Άρα αυτά μπορεί να υπάρχουν!

Η Susie Neilson είναι ασκούμενη στο Ναυτίλος. @schmeilson.