Tajuk artikel ini mungkin tidak terdengar seperti lelucon pintar. Mengikut konsep kosmologi yang diterima umum, teori Big Bang, Alam Semesta kita muncul dari keadaan ekstrem vakum fizikal yang dihasilkan oleh turun naik kuantum. Dalam keadaan ini, waktu dan ruang tidak ada (atau mereka terjerat dalam buih ruang-waktu), dan semua interaksi fizikal yang mendasar digabungkan bersama. Kemudian mereka berpisah dan memperoleh kewujudan bebas - graviti pertama, kemudian interaksi yang kuat, dan hanya kemudian - lemah dan elektromagnetik.
Mari kembali ke sains
Teori Big Bang dipercayai oleh majoriti saintis yang mengkaji sejarah awal alam semesta kita. Memang, ia banyak menerangkan dan tidak bertentangan dengan data eksperimen dengan cara apa pun. Namun, baru-baru ini, ia mempunyai saingan dalam menghadapi teori kitaran yang baru, asasnya dikembangkan oleh dua ahli fizik kelas tambahan - pengarah Institut Sains Teoretikal di Universiti Princeton Paul Steinhardt dan pemenang pingat Maxwell dan anugerah TED antarabangsa yang berprestij Neil Turok, pengarah Institut Kanada untuk Kajian Lanjutan dalam Teoretikal Fizik (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Dengan bantuan Profesor Steinhardt, Mekanik Popular cuba bercakap mengenai teori kitaran dan sebab-sebab kemunculannya.
Saat sebelum peristiwa, ketika "gravitasi pertama, kemudian interaksi yang kuat, dan hanya kemudian - lemah dan elektromagnetik." Muncul, biasanya dilambangkan sebagai waktu sifar, t = 0, tetapi ini adalah konvensi murni, penghormatan kepada formalisme matematik. Menurut teori standard, aliran masa yang berterusan bermula hanya setelah daya graviti menjadi bebas. Momen ini biasanya dikaitkan dengan nilai t = 10-43 s (lebih tepatnya, 5.4x10-44 s), yang disebut waktu Planck. Teori fizikal moden tidak dapat berfungsi dengan bermakna dengan jangka masa yang lebih pendek (dipercayai bahawa ini memerlukan teori graviti kuantum, yang belum dibuat). Dalam konteks kosmologi tradisional, tidak masuk akal untuk membicarakan apa yang berlaku sebelum saat awal,kerana masa dalam pemahaman kita tidak ada ketika itu.
Konsep inflasi adalah bahagian penting dari teori kosmologi standard (lihat bar sisi). Setelah berakhirnya inflasi, graviti datang dengan sendirinya, dan Alam Semesta terus berkembang, tetapi pada kadar yang menurun. Evolusi ini berlangsung selama 9 miliar tahun, setelah itu satu lagi bidang anti-graviti yang masih belum diketahui, yang disebut tenaga gelap, mulai bertindak. Ini sekali lagi menjadikan Alam Semesta menjadi mod pengembangan eksponensial, yang, sepertinya, harus diteruskan pada masa-masa mendatang. Harus diingat bahawa kesimpulan ini berdasarkan penemuan astrofizik yang dibuat pada akhir abad yang lalu, hampir 20 tahun setelah munculnya kosmologi inflasi.
Tafsiran inflasi Big Bang mula-mula dicadangkan sekitar 30 tahun yang lalu dan telah disempurnakan berkali-kali sejak itu. Teori ini memungkinkan untuk menyelesaikan beberapa masalah mendasar yang gagal ditangani oleh kosmologi sebelumnya. Sebagai contoh, dia menjelaskan mengapa kita hidup di alam semesta dengan geometri Euclidean yang rata - menurut persamaan Friedmann klasik, inilah yang harus dilakukan dengan pengembangan eksponensial. Teori inflasi telah menjelaskan mengapa jirim kosmik mempunyai butiran pada skala yang tidak melebihi ratusan juta tahun cahaya, dan diedarkan secara merata pada jarak jauh. Dia juga memberikan tafsiran tentang kegagalan percubaan untuk mengesan monopol magnetik, zarah yang sangat besar dengan satu tiang magnet, yang dipercayaidilahirkan dengan banyak sebelum bermulanya inflasi (inflasi telah membentang di luar angkasa sehingga kepadatan monopol yang tinggi pada mulanya dikurangkan menjadi hampir sifar, dan oleh itu instrumen kami tidak dapat mengesannya).
Video promosi:
Segera setelah model inflasi muncul, beberapa ahli teori menyedari bahawa logik dalamannya tidak bertentangan dengan idea kelahiran berulang yang berulang dari semakin banyak alam semesta baru. Sesungguhnya, fluktuasi kuantum, seperti halnya kewajiban dunia kita, boleh berlaku dalam kuantiti apa pun, dengan syarat keadaannya betul. Ada kemungkinan bahawa alam semesta kita telah meninggalkan zon turun naik yang terbentuk di dunia pendahulunya. Dengan cara yang sama, dapat diasumsikan bahawa suatu ketika dan di suatu tempat di Alam Semesta kita sendiri akan terjadi suatu turun naik, yang akan "meletupkan" alam semesta muda yang sama sekali berbeza, juga mampu "kelahiran" kosmologi. Terdapat corak di mana alam semesta kanak-kanak itu muncul secara berterusan, berpisah dari ibu bapa mereka, dan mencari tempat mereka sendiri. Lebih-lebih lagi, tidak semestinya undang-undang fizikal yang sama ditetapkan di dunia seperti itu. Semua dunia ini "bersarang" dalam satu kontinum ruang-waktu, tetapi mereka berada dalam jarak yang sangat jauh sehingga mereka tidak merasakan kehadiran satu sama lain. Secara umum, konsep inflasi memungkinkan - lebih-lebih lagi, memaksa! - untuk mempercayai bahawa dalam megacosmos raksasa terdapat banyak alam semesta terpencil dengan susunan yang berbeza.
Ahli fizik teori suka mengemukakan alternatif berbanding teori yang paling umum diterima. Model inflasi Big Bang juga mempunyai pesaing. Mereka tidak mendapat sokongan luas, tetapi mereka mendapat dan mempunyai pengikut mereka sendiri. Teori Steinhardt dan Turok antaranya bukanlah yang pertama dan pastinya bukan yang terakhir. Walau bagaimanapun, hari ini ia dikembangkan dengan lebih terperinci daripada yang lain dan menerangkan dengan lebih baik sifat-sifat dunia kita yang diperhatikan. Ia mempunyai beberapa versi, beberapa di antaranya berdasarkan teori rentetan kuantum dan ruang multidimensi, sementara yang lain bergantung pada teori medan kuantum tradisional. Pendekatan pertama memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai proses kosmologi, jadi kita akan memikirkannya.
Versi teori rentetan yang paling maju dikenali sebagai teori-M. Dia mendakwa bahawa dunia fizikal mempunyai 11 dimensi - sepuluh ruang dan satu temporal. Ruang dengan dimensi yang lebih rendah, brane yang disebut, terapung di dalamnya. Alam semesta kita hanyalah salah satu dari brane ini, dengan tiga dimensi ruang. Ia dipenuhi dengan pelbagai zarah kuantum (elektron, quark, foton, dan lain-lain), yang sebenarnya adalah tali getaran terbuka dengan hanya satu dimensi ruang - panjang. Hujung setiap tali terpasang dengan kuat di dalam bran tiga dimensi, dan tali tidak boleh meninggalkan brane. Tetapi ada juga tali tertutup yang dapat berpindah ke luar brane - ini adalah graviton, quanta dari medan graviti.
Bagaimana teori kitaran menjelaskan masa lalu dan masa depan alam semesta? Mari kita mulakan dengan era sekarang. Tempat pertama sekarang tergolong dalam tenaga gelap, yang menyebabkan alam semesta kita berkembang secara eksponensial, berkala dua kali ganda dari saiznya. Akibatnya, ketumpatan jirim dan radiasi sentiasa berkurang, kelengkungan graviti ruang melemah, dan geometri menjadi semakin rata. Dalam trilion tahun akan datang, ukuran alam semesta akan berlipat ganda kira-kira seratus kali dan ia akan berubah menjadi dunia yang hampir kosong, sama sekali tidak mempunyai struktur material. Di sebelah kita terdapat bran tiga dimensi yang lain, yang dipisahkan dari kita dengan jarak kecil pada dimensi keempat, dan ia juga mengalami pengembangan dan peluasan eksponen yang serupa. Selama ini, jarak antara bran tetap tidak berubah.
Dan kemudian bran selari ini mula berkumpul. Mereka didorong ke arah satu sama lain oleh medan kekuatan, yang mana tenaganya bergantung pada jarak antara bran. Sekarang ketumpatan tenaga medan seperti itu positif, jadi ruang kedua bran berkembang secara eksponen - oleh itu, medan inilah yang memberikan kesan yang dijelaskan oleh kehadiran tenaga gelap! Walau bagaimanapun, parameter ini secara beransur-ansur menurun dan dalam satu trilion tahun akan jatuh ke sifar. Kedua-dua brane akan terus berkembang, tetapi tidak secara eksponensial, tetapi pada tahap yang sangat perlahan. Akibatnya, di dunia kita, ketumpatan zarah dan sinaran akan kekal hampir sifar, dan geometri akan tetap rata.
Tetapi akhir kisah lama hanyalah permulaan kepada kitaran seterusnya. Jalur bergerak ke arah satu sama lain dan akhirnya bertembung. Pada tahap ini, ketumpatan tenaga antara bidang turun di bawah sifar, dan ia mula bertindak seperti graviti (izinkan saya mengingatkan anda bahawa potensi tenaga graviti adalah negatif!). Apabila bran sangat dekat, medan antara bran mula meningkatkan fluktuasi kuantum pada setiap titik di dunia kita dan mengubahnya menjadi deformasi makroskopik geometri spasial (contohnya, dalam sepersejuta saat sebelum perlanggaran, ukuran kiraan ubah bentuk tersebut mencapai beberapa meter). Selepas perlanggaran, di zon inilah bahagian tenaga kinetik yang dilepaskan semasa hentakan dilepaskan. Akibatnya, di sinilah sebahagian besar plasma panas dengan suhu sekitar 1023 darjah berlaku. Kawasan inilah yang menjadi nadi graviti tempatan dan berubah menjadi embrio galaksi masa depan.
Pertembungan seperti itu menggantikan Big Bang kosmologi inflasi. Adalah sangat penting bahawa semua bahan yang baru terbentuk dengan tenaga positif muncul disebabkan oleh tenaga negatif terkumpul dari bidang antara cabang, oleh itu undang-undang pemuliharaan tenaga tidak dilanggar.
Bagaimanakah bidang seperti ini bertindak pada saat penting ini? Sebelum perlanggaran, ketumpatan energinya mencapai minimum (dan negatif), kemudian mula meningkat, dan setelah perlanggaran itu menjadi sifar. Jalur kemudian saling tolak dan mula bersurai. Ketumpatan tenaga antara cabang mengalami evolusi terbalik - sekali lagi menjadi negatif, sifar, positif. Bran, yang diperkaya dengan jirim dan radiasi, pertama mengembang pada kelajuan yang menurun di bawah kesan brek dari graviti sendiri, dan kemudian kembali ke pengembangan eksponen. Kitaran baru berakhir seperti yang sebelumnya - dan seterusnya infinitum iklan. Kitaran sebelum kita juga berlaku pada masa lalu - dalam model ini, masa berlanjutan, jadi masa lalu wujud melebihi 13.7 bilion tahun yang telah berlalu sejak pengayaan terakhir otak kita dengan jirim dan radiasi!Sama ada mereka mempunyai permulaan sama sekali, teori ini diam.
Teori siklik menjelaskan sifat dunia kita dengan cara yang baru. Ia mempunyai geometri yang rata, kerana pada akhir setiap kitaran ia membentang secara berlebihan dan hanya sedikit berubah sebelum memulakan kitaran baru. Fluktuasi kuantum, yang menjadi pendahulu galaksi, muncul secara kacau-bilau, tetapi rata-rata merata - oleh itu, ruang luar dipenuhi dengan gumpalan jirim, tetapi pada jarak yang sangat jauh, ia cukup homogen. Kami tidak dapat mengesan monopol magnetik hanya kerana suhu maksimum plasma baru lahir tidak melebihi 1023 K, dan tenaga yang lebih tinggi diperlukan untuk penampilan zarah-zarah tersebut - mengikut urutan 1027 K.
Teori kitaran wujud dalam beberapa versi, begitu juga dengan teori inflasi. Namun, menurut Paul Steinhardt, perbezaan di antara mereka hanya bersifat teknikal dan hanya menarik bagi para pakar, konsep umum tetap tidak berubah: “Pertama, dalam teori kami tidak ada momen awal dunia, tidak ada singularitas. Terdapat fasa berkala penciptaan jirim dan radiasi yang kuat, yang masing-masing, jika dikehendaki, dapat disebut Big Bang. Tetapi mana-mana fasa ini tidak menandakan munculnya alam semesta baru, tetapi hanya peralihan dari satu kitaran ke kitaran yang lain. Kedua-dua ruang dan waktu wujud sebelum dan sesudah mana-mana bencana ini. Oleh itu, adalah wajar bagi kita untuk bertanya bagaimana keadaannya 10 miliar tahun sebelum Big Bang terakhir, dari mana sejarah alam semesta dihitung.
Perbezaan utama kedua adalah sifat dan peranan tenaga gelap. Kosmologi inflasi tidak meramalkan peralihan pengembangan Semesta yang perlahan kepada yang dipercepat. Dan ketika ahli astrofizik menemui fenomena ini dengan memerhatikan letupan supernova jauh, kosmologi standard bahkan tidak tahu apa yang harus dilakukan mengenainya. Hipotesis tenaga gelap dikemukakan hanya untuk entah bagaimana mengaitkan hasil paradoks dari pemerhatian ini dengan teori. Dan pendekatan kami lebih baik disegel oleh logik dalaman, kerana kita mempunyai tenaga gelap sejak awal dan tenaga inilah yang memastikan penggantian kitaran kosmologi. " Namun, seperti yang dicatat oleh Paul Steinhardt, teori siklik juga mempunyai titik lemah: “Kami belum dapat secara meyakinkan menerangkan proses perlanggaran dan pantulan bran selari yang berlaku pada awal setiap kitaran. Aspek lain dari teori kitaran jauh lebih baik dikembangkan, tetapi masih banyak kekaburan yang harus dihapus."
Tetapi model teoretikal yang paling indah memerlukan pengesahan eksperimen. Bolehkah Kosmologi Siklik Disahkan atau Tidak Disahkan oleh Pemerhatian? "Kedua-dua teori inflasi dan siklik meramalkan adanya gelombang gravitasi peninggalan," jelas Paul Steinhardt. - Dalam kes pertama, ia timbul dari fluktuasi kuantum primer, yang dilumurkan di atas ruang semasa inflasi dan menghasilkan pergerakkan berkala geometri - dan ini, menurut relativiti umum, adalah gelombang graviti. Dalam senario kami, turun naik kuantum juga merupakan punca gelombang tersebut - gelombang yang sama yang diperkuat oleh perlanggaran bran. Pengiraan telah menunjukkan bahawa setiap mekanisme menghasilkan gelombang dengan spektrum tertentu dan polarisasi tertentu. Gelombang ini diperlukan untuk meninggalkan jejak pada radiasi gelombang mikro kosmik, yang merupakan sumber maklumat yang sangat berharga tentang ruang awal. Sejauh ini, jejak seperti itu belum dijumpai, tetapi, kemungkinan besar, ini akan dilakukan dalam dekad berikutnya. Sebagai tambahan, ahli fizik sudah memikirkan pendaftaran langsung gelombang gravitasi peninggalan menggunakan kapal angkasa, yang akan muncul dalam dua hingga tiga dekad."
Perbezaan lain, menurut Profesor Steinhardt, adalah penyebaran suhu radiasi gelombang mikro latar belakang: "Radiasi ini yang datang dari bahagian-bahagian langit yang berlainan suhu tidak cukup seragam, ia mempunyai zona pemanasan yang lebih kurang. Pada tahap ketepatan pengukuran yang disediakan oleh peralatan moden, jumlah zon panas dan sejuk hampir sama, yang bertepatan dengan kesimpulan kedua teori - inflasi dan siklik. Walau bagaimanapun, teori-teori ini meramalkan perbezaan yang lebih halus antara zon. Pada prinsipnya, mereka akan dapat mengenal pasti 'Planck' balai cerap Eropah yang dilancarkan tahun lalu dan kapal angkasa terbaru yang lain. Saya berharap bahawa hasil eksperimen ini dapat membantu membuat pilihan antara teori inflasi dan kitaran. Tetapi ia juga boleh berlakubahawa keadaan akan tetap tidak menentu dan tidak ada teori yang akan mendapat sokongan eksperimen yang tegas. Baiklah, maka saya harus mengemukakan sesuatu yang baru."
Menurut model inflasi, Alam Semesta berkembang secara eksponensial untuk waktu yang sangat singkat sejurus selepas kelahirannya, menggandakan dimensi liniernya berkali-kali. Para saintis percaya bahawa permulaan proses ini bertepatan dengan waktu dengan pemisahan interaksi yang kuat dan berlaku pada tanda waktu 10-36 s. Perluasan seperti itu (dengan cahaya mata ahli fizik teori Amerika, Sidney Coleman, ia disebut inflasi kosmologi) sangat pendek (hingga 10-34 s), tetapi meningkatkan dimensi linear Alam Semesta sekurang-kurangnya 1030-1050 kali, dan mungkin lebih banyak lagi. Menurut senario yang paling spesifik, inflasi dilancarkan oleh medan skalar kuantum anti-graviti, ketumpatan tenaga yang secara beransur-ansur menurun dan akhirnya mencapai minimum. Sebelum ini berlaku, ladang mula bergetar dengan cepat,menghasilkan zarah unsur. Akibatnya, pada akhir fasa inflasi, Alam Semesta dipenuhi dengan plasma superhot yang terdiri dari kuark bebas, gluon, lepton, dan kuota radiasi elektromagnetik bertenaga tinggi.
Alternatif radikal
Pada tahun 1980-an, Profesor Steinhardt memberikan sumbangan yang signifikan terhadap pengembangan teori Big Bang standard. Namun, ini tidak menghalangnya mencari alternatif radikal untuk teori tersebut, di mana banyak kerja telah dilaburkan. Seperti yang dikatakan Paul Steinhardt sendiri kepada Popular Mechanics, hipotesis inflasi memang banyak mengungkap misteri kosmologi, tetapi ini tidak bermaksud tidak ada gunanya mencari penjelasan lain: “Pada mulanya, saya hanya berminat untuk memahami sifat-sifat asas dunia kita tanpa menggunakan inflasi. Kemudian, ketika saya membahas lebih mendalam mengenai isu ini, saya menjadi yakin bahawa teori inflasi sama sekali tidak sempurna seperti yang dikatakan oleh penyokongnya. Ketika kosmologi inflasi baru saja dibuat, kami berharap ia dapat menjelaskan peralihan dari keadaan huru-hara awal ke alam semesta yang diperintahkan sekarang. Dia melakukannya - tetapi dia melangkah lebih jauh.
Logik dalaman teori ini menuntut untuk mengakui bahawa inflasi sentiasa mencipta sejumlah dunia yang tidak terhingga. Ini tidak menjadi masalah besar jika peranti fizikal mereka menyalin kita sendiri, tetapi ini tidak berfungsi. Sebagai contoh, dengan bantuan hipotesis inflasi, adalah mungkin untuk menjelaskan mengapa kita hidup di dunia Euclidean yang rata, tetapi bagaimanapun, kebanyakan alam semesta lain pasti tidak akan mempunyai geometri yang sama. Ringkasnya, kami sedang membangun teori untuk menjelaskan dunia kita sendiri, dan teori itu keluar dari tangan dan melahirkan pelbagai dunia eksotik yang tidak berkesudahan. Keadaan ini tidak lagi sesuai dengan saya. Selain itu, teori standard tidak dapat menjelaskan sifat keadaan sebelumnya, yang mendahului pengembangan eksponensial. Dalam pengertian ini, ia tidak lengkap seperti kosmologi pra-inflasi. Akhirnya,dia tidak dapat mengatakan apa-apa mengenai sifat tenaga gelap, yang telah mendorong pengembangan alam semesta kita selama 5 bilion tahun.
