Az Univerzum ciklikus modellje: az anyag degenerációja végtelenül megtörténik

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A 2000-es évek elején a Princeton Egyetem két fizikusa olyan kozmológiai modellt javasolt, amely szerint az Ősrobbanás nem egyedi esemény, hanem a téridő már jóval az univerzum születése előtt létezett.

A ciklikus modellben az univerzum egy végtelen önfenntartó cikluson megy keresztül. Az 1930-as években Albert Einstein felvetette azt az elképzelést, hogy az univerzum az ősrobbanások és nagy összenyomódások végtelen ciklusát élheti meg. Univerzumunk tágulása az előzmény univerzum összeomlásának következménye lehet. E modell keretein belül elmondhatjuk, hogy az Univerzum elődje halálából született újjá. Ha igen, akkor az ősrobbanás nem volt valami egyedi, csak egy kisebb robbanás a végtelen számú többi között. A ciklikus elmélet nem feltétlenül helyettesíti az ősrobbanás elméletét, inkább más kérdésekre próbál választ adni: például, mi történt az ősrobbanás előtt, és miért vezetett az ősrobbanás a gyors terjeszkedés időszakához?

Az Univerzum egyik új ciklikus modelljét Paul Steinhardt és Neil Turok javasolta 2001-ben. Steinhardt ezt a modellt írta le cikkében, amely a The Cyclic Model of the Univers nevet kapta. A húrelméletben a membrán vagy a „brán” olyan objektum, amely számos dimenzióban létezik. Steinhardt és Turok szerint az általunk látott három térdimenzió megfelel ezeknek a bránoknak. Két 3D-s brán létezhet párhuzamosan, egy további, rejtett dimenzióval elválasztva. Ezek a bránok - fémlemezeknek is felfoghatók - ezen az extra dimenzión mozoghatnak, és ütközhetnek egymással, létrehozva az Ősrobbanást, és ezáltal univerzumot (mint a miénk). Amikor összeütköznek, az események a szokásos ősrobbanás-modell szerint zajlanak: forró anyag és sugárzás keletkezik, gyors infláció következik be, majd minden lehűl - és olyan struktúrák jönnek létre, mint a galaxisok, csillagok és bolygók. Steinhardt és Turok azonban azzal érvelnek, hogy ezek a bránok, amelyeket inter-bránoknak neveznek, mindig van valamilyen kölcsönhatás: összehúzza őket, amitől ismét összeütköznek, és előidézik a következő ősrobbanást.

Steinhardt és Turok modellje mindazonáltal megkérdőjelezi az Ősrobbanás modell egyes feltételezéseit. Például szerintük az Ősrobbanás nem a tér és az idő kezdete, sokkal inkább átmenet volt az evolúció egy korábbi szakaszából. Ha a Big Bang modellről beszélünk, akkor azt mondja, hogy ez az esemény jelentette a tér és az idő, mint olyan közvetlen kezdetét. Ráadásul az ütköző bránok ebben a ciklusában az Univerzum nagy léptékű szerkezetét a kompressziós fázisnak kell meghatároznia: vagyis ez még azelőtt megtörténik, mielőtt összeütköznének, és bekövetkezne a következő ősrobbanás. Az ősrobbanás elmélete szerint az univerzum nagy léptékű szerkezetét a gyors tágulás (infláció) időszaka határozza meg, amely röviddel a robbanás után következett be. Ráadásul az ősrobbanás modellje nem jósolja meg, hogy meddig fog létezni az univerzum, a Steinhardt-modellben pedig az egyes ciklusok időtartama körülbelül ezermilliárd év.

Az Univerzum ciklikus modelljében az a jó, hogy az ősrobbanás modellel ellentétben képes megmagyarázni az úgynevezett kozmológiai állandót. Ennek az állandónak a nagysága közvetlenül összefügg az Univerzum felgyorsult tágulásával: ez magyarázza, miért tágul a tér olyan gyorsan. A megfigyelések szerint a kozmológiai állandó értéke nagyon kicsi. Egészen a közelmúltig azt hitték, hogy értéke 120 nagyságrenddel kisebb, mint amit a standard Big Bang elmélet megjósolt. A megfigyelés és az elmélet közötti különbség régóta a modern kozmológia egyik legnagyobb problémája. Nem is olyan régen azonban új adatok születtek az Univerzum tágulásával kapcsolatban, amelyek szerint gyorsabban tágul, mint azt korábban gondolták. Várni kell az újabb megfigyelésekre és a már megszerzett adatok megerősítésére (vagy cáfolatára).

Steven Weinberg, 1979-ben Nobel-díjas, az úgynevezett antropikus elv alapján próbálja megmagyarázni a különbséget a modell megfigyelése és előrejelzése között. Szerinte a kozmológiai állandó értéke véletlenszerű, és az Univerzum különböző részein eltérő. Nem csodálkozhatunk azon, hogy olyan ritka területen élünk, ahol ennek az állandónak kis értékét figyeljük meg, hiszen csak ezzel az értékkel fejlődhetnek csillagok, bolygók és élet. Egyes fizikusok azonban nem elégedettek ezzel a magyarázattal, mivel nincs bizonyíték arra vonatkozóan, hogy ez az érték a megfigyelhető Univerzum más régióiban eltérő.

Hasonló modellt fejlesztett ki Larry Abbott amerikai fizikus az 1980-as években. Az ő modelljében azonban a kozmológiai állandó alacsony értékekre való csökkenése olyan hosszú volt, hogy az Univerzumban egy ilyen időszak alatt az összes anyag szétszóródik a térben, és valójában üresen hagyta. Steinhardt és Turok Univerzum ciklikus modellje szerint a kozmológiai állandó értéke olyan kicsi, mert kezdetben nagyon nagy volt, de idővel minden egyes ciklussal csökkent. Más szóval, minden nagy robbanáskor az Univerzumban az anyag és a sugárzás mennyisége "nullázódik", de a kozmológiai állandó nem. Sok ciklus alatt az értéke csökkent, és ma pontosan ezt az értéket figyeljük meg (5, 98 x 10-10 J / m3).

Neil Turok egy interjúban a következőképpen beszélt saját és Steinhardt ciklikus univerzum modelljéről:

„Javaslunk egy olyan mechanizmust, amelyben a szuperhúr-elmélet és az M-elmélet (a kvantumgravitáció legjobb kombinált elmélete) lehetővé teszi, hogy az univerzum keresztülmenjen az Ősrobbanáson. De ahhoz, hogy megértsük, feltevésünk teljesen következetes-e, további elméleti munkára van szükség."

A tudósok remélik, hogy a technológia fejlődésével lehetőség nyílik ennek az elméletnek a tesztelésére másokkal együtt. A standard kozmológiai modell (ΛCDM) szerint tehát röviddel az ősrobbanást követően az inflációnak nevezett időszak következett, amely gravitációs hullámokkal töltötte meg az univerzumot. 2015-ben gravitációs hullámjelet rögzítettek, amelynek alakja egybeesett az általános relativitáselmélet két fekete lyuk egyesülésére vonatkozó előrejelzésével (GW150914). 2017-ben Kip Thorne, Rainer Weiss és Barry Barish fizikusok Nobel-díjat kaptak ezért a felfedezésért. Ezt követően szintén két neutroncsillag (GW170817) egyesüléséből származó gravitációs hullámokat rögzítettek. A kozmikus inflációból származó gravitációs hullámokat azonban még nem rögzítették. Sőt, Steinhardt és Turok megjegyzi, hogy ha a modelljük helyes, akkor az ilyen gravitációs hullámok túl kicsik lesznek ahhoz, hogy "észlelhetők".