Mokslo ir technologijų pasaulis

Maxo Tegmarko balsas pagyvėja, kai jis kalba apie mūsų visatos kilmės istorijos pagrindinę idėją. Kosminės infliacijos teorija teigia, kad pirmosiomis sekundės dalimis po Didžiojo sprogimo (DS), visatos audinys plėtėsi greičiau, nei šviesa. Be tokio triuko sunkiai eitų paaiškinti kai kurias kertines iš karštos, tankios sriubos kilusios ir nuo to laiko augančios ir vėstančios visatos savybes.

Tegmarkas, kosmologas iš MIT nėra vienintelis, keliantis klausimą, ar infliacija dar netapo užsibuvusiu svečiu. Jos patrauklumas turi nemalonias pasekmes – tokias nemalonias, kad jos grasina išklibinti viso mūsų supratimo apie kosmosą pamatus. Atsinaujino debatai klausimu, kurį daugelis jau laikė nuspręstu: koks sprogimas buvo Didysis sprogimas?

Kai 1980 metais Alanas Guthas, tada jaunas doktorantas Kornelio universitete Itakoje (Niujorkas), pasiūlė infliacijos idėją, tai buvo dangiškoji mana. Kosminio foninio mikrobangų (KFM) spinduliavimo tyrimai DS teorijos šalininkams kėlė galvos skausmą.

KFM radiacija rodėsi esanti puikiausias DS teorijos patvirtinimas. Praėjus maždaug 380 000 metų po visatos atsiradimo neįsivaizduojamo tankio ir temperatūros „singuliarume“, kosmosas išsiplėtė ir atvėso pakankamai, kad galėtų susiformuoti pirmieji atomai. Nuo tada šių atomų išspinduliuoti šviesos fotonai keliauja po kosmosą visomis kryptimis. Sėdėdami savo planetoje, po bemaž 14 milijardų metų šiuos fotonus matome, kaip visą dangų užpildantį, beveik tolygų 2,7 K temperatūros foninį spinduliavimą.

Bet ši sėkmė slepia problemiškas detales. Viena jų, kad spinduliavimą galime stebėti 10 milijardų šviesmečių į vieną pusę ir tiek pat į kitą ir vis tiek matysime malonų tolygumą. Tačiau, jei paleisime tolygiai besiplečiančio kosmoso laiką atgal, kol erdvės sritys susitiks, prisireiks luktelėti 20 milijardų metų – ilgiau, nei visatos amžius. Paprasto DS visatoje šie erdvės gabaliukai negalėjo suartėti tiek, kad jų temperatūros suvienodėtų, o toks jos vienodumas – labai mažai tikėtinas atsitiktinumas.

Dar visatos geometrija. KFM spinduliavime užkoduota informacija rodo, kad erdvė yra labai „plokščia“: čia karaliauja Euklido geometrija ir lygiagrečios linijos niekada nesusikerta. Toks plokštumas irgi labai netikėtinas, turint galvoje mūsų žinias apie gravitaciją ir jos polinkį iškreipti erdvę. Vėlgi, paprastas DS to negali paaiškinti.

Infliacinis spaudimas

Infliacinis Didysis sprogimas tai paaiškinti gali. Idėja tokia, kad laiko pradžioje viskas egzistavo kvantiniame lauke, vadinamajame inflatone. Jis atsidūrė „netikrame vakuume“ – laikinai stabiliame, bet ne žemiausiame tikro vakuumo, lygyje. Tai yra, vaizdžiai kalbant, inflatonas pakibo mažoje aikštelėje ant stataus kalno šlaito. Jei viskas būtų ramu, jis ten galėjo ilsėtis netrikdomas, bet mažiausias virptelėjimas pasiųstų jį žemyn link tikrojo vakuumo.

Pirmąją visatos sekundės dalį viskas nebuvo ramu. Atsitiktinės kvantinės energijos fluktuacijos sujudino inflatoną, pasiųsdamos jį žemyn. Krisdamas į tikrąjį vakuumą, jis sukūrė atstumiančiąją gravitaciją, stumiančią aplinkinę erdvę. Kuo toliau jis krito, tuo stipriau stūmė, kol besiplečianti erdvė lėkė tolyn, daug greičiau už šviesą.

Infliacijos dosnumas čia nesibaigė. Išpūsdamas mažutėlytes kvantines kosmoso tankio fluktuacijas iki kosminių proporcijų, jis sukūrė brėžinį, pagal kurį medžiaga sukibo į didžiulius aglomeratus, pavyzdžiui, dabar mūsų matomas galaktikas.

Tai fiziškai visai įmanoma. Einšteino reliatyvumas draudžia objektams erdve keliauti greičiau, nei šviesa, bet neriboja pačios erdvės judėjimo. Inflatonui pasiekus dugną, visa jo kritimo metu įgauta kinetinė energija pasipylė į visatą, sukurdama materiją ir spinduliavimą, iš kurių vėliau susiformavo žvaigždes, planetos ir galiausiai, mes. Visa tai nutiko žymiau greičiau, nei per akies mirksnį: vos per 10⁻³³ stebima visata padidėjo daugiau, nei dvidešimčia dydžio eilių, nuo vienos milijardosios atomo branduolio iki maždaug vieno centimetro skersmens minikosmoso.

Nepageidaujamos visatos

Vienu mostu infliacija išsprendė DS problemas. Dangaus sritims nebereikėjo 20 milijardų metų susitikimui ir susimaišymui: infliacija suteikė joms reikalingą postūmį, kad jos daug greičiau pasiektų kosmoso pakraščius. O tas absurdiškai neįtikėtinas erdvės plokštumas visai toks nebebuvo: infliacija visatą padarė tokią didelę, kad bet kokia išmatuojama sritis atrodo plokščia, lygiai, kaip žemė po kojomis atrodo plokščia, nors mūsų planetos paviršius išgaubtas.

„Tai būtų buvęs puikus laikas infliacijai nusilenkti, palaukti aplodismentų ir palikti sceną,“ sako Tegmarkas. Bet taip nenutiko.Vietoje to, infliacija pradėjo numatyti vis daugiau dalykų – dalykų, kurių niekas nenorėjo.

Dalykai, pavyzdžiui, kitos visatos.

Problema ta, kad infliacijai prasidėjus, jos neįmanoma sustabdyti. Netgi mažame priešinfliaciniame kosmose, kvantinės fluktuacijos užtikrino, kad inflatono lauko skirtingose vietose būtų skirtingos energijos – truputėlį panašu į kalną, su daugybe skirtinguose aukščiuose pavojingai balansuojančių kamuoliukų. Kiekvienam pradėjus riedėti, jis pradeda skirtingo erdvės regiono, tolstančio nuo kitų greičiau už šviesą, infliaciją. Kadangi jokia sąveika negali aplenkti šviesos greičio, šios minivisatos viena nuo kitos visiškai atskiriamos. Inflatonui kiekviename jų tęsiant savo nusileidimą, vis daugiau ir daugiau erdvių pradeda savo nepriklausomą egzistavimą: susiformuoja begalė visatų.

Tai nežada nieko gero mūsų kosminio nušvitimo viltims. Vienišoje visatoje jos fizikos teorija galėtų nuspėti, tarkime, kokio plokštumo visata turėtų būti arba, pavyzdžiui, tamsiosios energijos, paslaptingosios esybės, spartinančios visatos plėtimąsi, lygį. Tada astronomai galėtų patikrinti spėjimus stebėjimais.

Begalinėje multivisatoje tai neįmanoma: nėra apibrėžtų numatymų, tik tikimybės. Bet koks įmanomas tamsiosios energijos ar bet ko kito kiekis egzistuos begalybę kartų begalybėje visatų ir bet kuri universali fizikos teorija, teisinga multivisatoje, turi atkurti visas šias reikšmes. Tai reiškia, bet kokio konkretaus dydžio stebėjimo tikimybę lygią begalybei, padalintai iš begalybės: nesąmonei, kurią matematikai vadina „neapibrėžtumu“.

Iš pradžių kosmologai tikėjosi iš begalybių gauti prasmę imdami baigtinį multivisatų atvaizdų skaičių tam tikru metu ir tada ekstrapoliuoti santykines tam tikrų stebėjimų tikimybes vis ankstesniems ir ankstesniems laikams ir dar didesniam visatų skaičiui. Einšteinas nepritartų tokiam sprendimui. Jo reliatyvumo teorija reiškia, kad nėra vieno laikrodžio, matuojančio multivisatos sekundes, ir yra begalybė būdų gauti jos atvaizdą, duodantį vis kitokį tikimybių rinkinį. Ši „matų problema“ sunaikina infliacijos galimybę iš viso ką nors numatyti, taip pat ir kosminio foninio spinduliavimo vienodumą, erdvės išlinkį ar ką nors, kas iš pradžių vertė mus tikėti šia teorija.

„Manėme, kad infliacija numatė tolygią, plokščią visatą,“ sako Paulas Steinhardtasiš Prinstono universiteto, infliacijos teorijos pionierius, dabar ją nuvertinantis. „Išties, ji numato kiekvieną tikimybę begalybę kartų. Grįžome ten, iš kur pradėjome.“ Tegmarkas sutinka: „Infliacija susinaikino. Ji sugriovė save logiškai."

Seanas Carrollis, kosmologas iš Kalifornijos technologijos instituto Pasadenoje, apdairesnis. „Infliacija vis dar dominuojanti paradigma,“ sako jis. „Bet nebesame tokie įsitikinę, kad tai akivaizdi tiesa.“ Ir ne tik dėl matų problemos, priduria jis. Svarbiau, kad nežinome, kas inflatono laukas yra, kodėl jis buvo netikrame vakuume ir iš kur radosi jis pats ir jo energija. Taip idealiai pavojingai virš kalno šlaito pakibęs inflatono laukas regisi ne labiau įtikimas, nei laimingas atsitiktinumas, kurį ši idėja turėtų paaiškinti. „Jei pasirinktume visatą iš skrybėlės, tai nebūtų prasidedanti nuo infliacijos,“ sako Carrollis.

Tad, jei mūsų visatą tokią, kokia ji yra, padarė ne infliacija, tada kas? Ar yra kitokių Didžiųjų sprogimų, kurių numatymai sutampa su mūsų stebėjimais, bet neturinčių infliacijos pašalinių efektų?

Galbūt. 2001 metais, Steinhardtas su kolegomis Justinu Khoury, Burtu Ovrutu and Neilu Turokvienasu vieni iš pirmųjų pasiūlė alternatyvą. Jų idėja buvo peržiūrėti pačią DS interpretaciją. Užuot žymėjęs singuliarumą absoliučioje erdvės ir laiko pradžioje, jis buvo tik naujausias daug ilgesnės istorijos įvykis. Šios idėjos įkvėpimas kilo iš stygų teorijos, labiausiai paplitusio būdo sutaikyti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, geriausiai aprašančią erdvę ir laiką su kvantine mechanika, geriausiai aprašančia visa kita.

Stygų teorija teigia, kad įvairios dalelės, sudarančios materiją ir perduodančios jėgas, yra plonyčių kvantinių mechaninių stygų vibracijos, taip pat sukuriančios ir „gravitonus“, dar neaptiktas gravitaciją perduodančias daleles. Ji numato ir papildomus, be keturių mums pažįstamų – erdvės ir laiko, – matmenis.

Branų kabykla

Tai iškelia galimybę, kad mūsų 4 matmenų kosmosas egzistuoja ant „branos“ – mažiau matmenų turintis objektas plaukiojantis daugiau matmenų turinčioje erdvėje. Taip įsivaizduojant, mūsiškė brana nebūtinai yra vienintelė: dvi branos, tarp kurių yra mikroskopinis atstumas, gali formuoti penkiamatę erdvę, panašiai, kaip dvi duonos riekelės sudaro sumuštinį. Steinhardto ir jo kolegų idėja tokia, kad kas keletą trilijonų metų ar panašiai, kaimyninės branos suartėja ir susiliečia, sukeldamos sprogų energijos pliūpsnį, kai penktasis matmuo trumpam išnyksta singuliarume, ir vėl pasirodo, kai branos išsiskiria.