Ciklični model univerzuma: degeneracija materije se dešava beskonačno

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

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

U cikličnom modelu, univerzum prolazi kroz beskonačan samoodrživi ciklus. Albert Ajnštajn je tridesetih godina prošlog veka izneo ideju da univerzum može iskusiti beskonačan ciklus velikih praska i velikih kompresija. Širenje našeg univerzuma može biti rezultat kolapsa prethodnog univerzuma. U okviru ovog modela možemo reći da je Univerzum ponovo 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. Ciklična teorija ne zamjenjuje nužno teoriju Velikog praska, već pokušava odgovoriti na druga pitanja: na primjer, šta se dogodilo prije Velikog praska i zašto je Veliki prasak doveo do perioda brze ekspanzije?

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 ovim 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 samim tim i svemire (poput našeg). Kada se sudare, događaji se odvijaju prema standardnom modelu Velikog praska: stvaraju se vruća materija i radijacija, dolazi do brzog naduvavanja, a zatim se sve hladi - i formiraju se strukture poput galaksija, zvijezda i planeta. Međutim, Steinhardt i Turok tvrde da uvijek postoji neka interakcija između ovih brana, koju oni nazivaju interbranama: ona ih povlači zajedno, uzrokujući da se ponovo 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 sljedeći Veliki prasak. Prema teoriji Velikog praska, struktura svemira velikih razmjera određena je periodom brzog širenja (inflacije), koji se dogodio ubrzo nakon eksplozije. Štaviše, model Velikog praska ne predviđa koliko dugo će svemir postojati, a u Steinhardtovom modelu trajanje svakog ciklusa je oko trilion godina.

Dobra stvar kod cikličnog modela Univerzuma je što, za razliku od modela Velikog praska, može objasniti takozvanu kosmološku konstantu. Veličina ove konstante direktno je povezana sa ubrzanim širenjem Univerzuma: objašnjava zašto se svemir tako brzo širi. Prema zapažanjima, vrijednost kosmološke konstante je vrlo mala. Do nedavno se vjerovalo da je njegova vrijednost 120 redova veličine manja od predviđene standardnom teorijom Velikog praska. Ova razlika između posmatranja i teorije dugo je bila jedan od najvećih problema u modernoj kosmologiji. Međutim, ne tako davno, dobijeni su novi podaci o širenju Univerzuma, 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. godine, pokušava objasniti razliku između promatranja i predviđanja modela koristeći takozvani antropski princip. Prema njegovim riječima, vrijednost kosmološke konstante je slučajna i razlikuje se u različitim dijelovima Univerzuma. Ne treba nas čuditi što živimo u tako rijetkom području gdje opažamo malu vrijednost ove konstante, jer samo uz tu vrijednost mogu se razvijati zvijezde, planete i život. Neki fizičari, međutim, nisu zadovoljni ovim objašnjenjem zbog nedostatka dokaza da je ova vrijednost drugačija u drugim regijama u vidljivom Univerzumu.

Sličan model razvio je američki fizičar Larry Abbott 1980-ih. Međutim, u njegovom modelu, smanjenje kosmološke konstante na niske vrijednosti bilo je toliko dugo da bi se sva materija u svemiru tokom takvog perioda raspršila u svemiru, ostavljajući ga, zapravo, praznim. Prema Steinhardtovom i Turokovom cikličnom modelu Univerzuma, razlog zašto je vrijednost kosmološke konstante tako mala je taj što je u početku bila vrlo velika, ali se vremenom, sa svakim novim ciklusom, smanjivala. Drugim riječima, sa svakom velikom eksplozijom, količina materije i radijacije u Univerzumu je „nula“, ali ne i kosmološka konstanta. Tokom mnogih ciklusa njegova vrijednost je opadala, a danas upravo tu vrijednost opažamo (5,98 x 10-10 J/m3).

U jednom intervjuu, Neil Turok je govorio o svom i Steinhardtovom modelu cikličkog univerzuma na sljedeći način:

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

Naučnici se nadaju da će razvojem tehnologije biti prilike da se ova teorija testira zajedno sa ostalima. Dakle, prema standardnom kosmološkom modelu (ΛCDM), period poznat kao inflacija uslijedio je ubrzo nakon Velikog praska, koji je ispunio svemir gravitacijskim valovima. 2015. godine zabilježen je signal gravitacionog talasa čiji se oblik poklopio sa predviđanjem Opće relativnosti za spajanje dvije crne rupe (GW150914). 2017. godine, fizičari Kip Thorne, Rainer Weiss i Barry Barish dobili su Nobelovu nagradu za ovo otkriće. Također su naknadno zabilježeni gravitacijski talasi koji su proizašli iz događaja spajanja dvije neutronske zvijezde (GW170817). Međutim, gravitacijski valovi uzrokovani kosmičkom inflacijom još uvijek nisu zabilježeni. Štaviše, Steinhardt i Turok primjećuju da ako je njihov model ispravan, onda će takvi gravitacijski valovi biti premali da bi bili "otkriveni".