Mokslo ir technologijų pasaulis

Trys Vis­ko teo­ri­jos pre­ten­den­tai su­ta­ria dėl vie­nos be­pro­tiš­kai skam­ban­čios idė­jos – mū­sų vi­sa­ta gi­mė per se­kun­dės da­le­lę, kai nie­kas ir nie­kur ne­bu­vo su­si­jun­gę

Tai radikaliai skiriasi nuo mums įprasto erdvėlaikio, kaip glotnaus, tolygaus audinio supratimo. Ir jis toks dėl mokslininkų, besistengiančių suderinti kvantų teoriją su dabartiniu visatos supratimu, besiremiančiu A. Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija. Ji puikiausiai aprašo gravitaciją žvaigždžių ir galaktikų masteliu, bet prakalbus apie visą visatos istoriją, teorija ne itin iškalbi.

Tam tikra prasme, pats bendrasis reliatyvumas numato savo žlugimą. Sukant atgal kosmoso laikrodį, objektai artėja vienas prie kito ir gravitacija vis stiprėja. Pagal bendrojo reliatyvumo teoriją, kosmosas kilo iš vieno begalinio tankio taško – singuliarumo, kur erdvė ir laikas tampa tokie iškreivinti, kad fizika sugriūna. Taigi, vien ši teorija negali papasakoti visos visatos gimimo teorijos.

Kai objektai labai maži, karaliauja kvantų teorija. Taigi, norint apibūdinti visko pradžią, reikia šias dvi teorijas apjungti į vieną kvantinės gravitacijos teoriją.

Priešingai, nei galbūt esate girdėję, yra būdų tai atlikti. Stygų teorija yra plačiausiai žinomas pavyzdys. Ji aprašo, kaip aibė materiją ir jėgas – įskaitant gravitaciją – sudarančių dalelių gali būti supaprastinta iki vienmačių stygų vibracijų. Tačiau ši teorija nelabai ką pasako apie fundamentalią erdvės ir laiko prigimtį, tad pastaraisiais metais iškilo naujos teorijos.

Nors šios teorijos dar jaunos ir nežinome, ar kuri iš šių teorijų veiks visais atvejais, jau regime kai kuriuos stulbinančius rezultatus. Patraukliausiai atrodo tai, kad bent jau trijose visiškai nepriklausomose kvantinės gravitacijos teorijose kosmosas prasideda nuo to, ką galėtume pavadinti tylos akimirka.

Sukdami laikrodį atgal, pasiekiame momentą, kai kiekvienas erdvės taškas atsijungia nuo visų kitų taškų. Tai reiškia, kad niekas – nei garsas, nei informacija, nei šviesa – negali keliauti tarp jų. Gal šis tylos momentas naujai papasakos seniausią istoriją?

Stevenas Carlipas iš Kalifornijos universiteto, Davise, buvo vienas iš pirmųjų, atkreipusių dėmesį, kad įvairūs keliai link kvantinės gravitacijos apsijungia. 2012 metais jis surinko visas teorijas ir pastebėjo, kad visatai grįžtant į savo tankią, karštą pradžią, daugelis jų atsikrato vieno ar poros erdvės matmenų. Kitaip tariant, pradžioje geometrija buvo visiškai kitokia.

Toliau eina tylos momentas ir laikas bei erdvė suyra visiškai. Tiksliai kaip ir kada tai nutiko, išsiaiškinti sunku, bet panašu, jis kilo iš pirmykščių kvantinių fluktuacijų. Carlipas ir jo kolegos atliko skaičiavimus pagal stygų teorijos atšaką, vadinamąją dilatonų gravitaciją. Jie parodė, kad erdvė į diskrečius gabalėlius suskirstoma per pirmąją 10^-43 visatos egzistavimo sekundės dalį. Kiekvienas gabalėlis nepatiria jokios įtakos iš aplinkos, tik iš savo paties egzistavimo.

Tas pats nutinka ir pagal priežastinės dinaminės trianguliacijos (causal dynamical triangulation – CDT) teoriją, kur visata susideda iš trikampės piramidės formos erdvėlaikio vienetų. piramidžių atitikimo būdai suteikia erdvei ir laikui kreivumą, kurį, pagal bendrąją reliatyvumo teoriją suteikia masė ir energija.

Tylus gimimas

CDT erdvėlaikio gabaliukai gali skirtis ir kompiuterinės simuliacijos kombinuoja juos milijardais galimų būdų. Lyginant skirtingus rezultatus norima aptikti dažniausiai pasitaikančius scenarijus. Tai yra labiausiai tikėtinos visatų istorijos. „Tikimės, kad mūsų simuliacijos parodys, kaip visata linkusi elgtis šalia pradinio singuliarumo, nestumdant dalykų rankomis,“ sako Renate Loll iš Radboud universiteto Nijmegene, Nyderlanduose, viena iš teorijos kūrėjų. Įdomu, kad tam tikrų pasirinkimų kombinacijų rezultatas būna visiškai skirtingos visatos – besiskiriančios kaip ledas ir garas.

CDT visata gali egzistuoti vienoje iš trijų atskirų „fazių“. Viena panaši į mūsų, kur skirtingi regionai sujungti ir veikia vienas kitą perduodami signalus ar jėgas. Kita yra tiesiog homogeniškas gabalas, kur viskas iš esmės yra viso kito dalis. Trečioji opcija yra, kur erdvėlaikio vienetai visiškai atjungti – kiekvienas gabalėlis yra vienišas. Kitaip tariant, tylos momentas.

Nors dar per anksti tvirtinti, idėja, kad visata galėjo judėti tarp šių fazių gali skelbti šviežią kvantinės gravitacijos supratimą. „Ankstyvoji visata yra patikimiausi mūsų vartai į kvantinę gravitaciją,“ sako Sabine Hossenfelder iš Šiaurės kraštų teorinės fizikos instituto Stockholme, Švedijoje. „Tokių ankstyvosios visatos fazės keitimosi tyrimai leis mums pagerinti supratimą, kas iš esmės yra laikas ir erdvė.“

Naujausias tylos momento pasireiškimas atėjo iš kilpinės kvantinės gravitacijos teorijos. Pagal ją, erdvėlaikis yra iš sruogų ir mazgų nuaustas audinys. Gijų susipynimo būdai ir sukuria dalelių ir jėgų žvėryną.

Vienas būdas tyrėjams pasistengti patikrinti teoriją yra remiantis kilpine kvantine kosmologija (loop quantum cosmology – LQC), kuri ieško būdų, kaip kilpinė kvantinė gravitacija galėjo unikaliai suformuoti kosminę istoriją. Ji stengiasi išsiaiškinti, kaip sruogos ir mazgai būtų susitvarkę su didelių energijų ir didelio tankio visatos pradžios sąlygomis.

Kai Barrau ir jo kolegos atsukinėjo LQC visatos plėtimąsi, išvydo sąlygas lėtinančias šviesos sklidimą. Toliau viską spaudžiant į vis karštesnes, tankesnes būsenas, LQC kosmosas galiausiai pasiekė tašką, kai šviesa negalėjo sklisti iš viso. Jei negali sklisti šviesa, negali vyksti komunikacija, negali būti perduodamos jokios jėgos ir kiekvienas erdvėlaikio regionas yra atjungtas nuo visų kitų. Tai yra tylos momentas.

Tyrėjai į savo modelį labai rimtai nežiūri. „Turėjome padaryti krūvas prielaidų,“ paaiškina Barrau. Bet juos džiugina, kad LQC prisijungė prie grupės teorijų, nurodančių tylų kosmoso gimimą. „Tyla gali mums padėti suprasti šių formuluočių ryšius,“ sako Barrau kolega Jakubas Mielczarekas iš Jogailos universiteto Krokuvoje, Lenkijoje.

Vienas LQS bruožas itin teikia optimizmą: infliacija atsiranda intriguojančiai natūraliu būdu. Infliacija yra itin spartaus augimo periodas, kuris, kosmologų manymu, turėjo nutikti iškart po visatos susikūrimo. Šį jų įsitikinimą paskatino nesenas jos pėdsako atradimas kosminiame mikrobangų fone, susiformavusiame po 370 000 metų nuo Didžiojo Sprogimo.

Standartiniame DS variante yra įterptas infliacijos periodas. Pagal LQC modelį, ji nutinka kaip natūrali vadinamojo „atšokimo“ pasekmė. Tai momentas iki mūsų visatos atsiradimo; LQC mūsų visatos gimimas nėra laikomas visko pradžia. 2006 m. Parampreetas Singhas iš Louisiana'os valstijos universiteto su kolegomis parodė, kad atsukant kilpinės kvantinės visatos laikrodį, galiausiai ištinka momentas, kur energija perkrauna sruogas ir mazgus ir sukuria atstumiančią jėgą, priverčiančią erdvę išsiversti ir vėl imti plėstis.

Jei toje visatoje yra koks nors „skaliarinis laukas“, tam tikra jėga veikiantis kiekvieną erdvės tašką, rezultatas yra natūralus infliacijos periodas. Tai nėra dirbtina, kaip gali skambėti – visos kosmologinės teorijos savo visatose naudoja skaliarinį lauką , kaip įvairių jėgų pradžią. Atšokančioje visatoje, turinčioje skaliarinį lauką, infliacija yra praktiškai neišvengiama. „Jei norėtumėte išvengti infliacijos, reikėtų labai tiksliai sureguliuoti sąlygas,“ sakė Barrau.

Šis modelis netgi gali pasakyti, kiek ta infliacija tęsiasi. LQC numato dvigubai ilgesnį infliacijos periodą, nei kosmologiniai stebėjimai rodo ją trukus. Tai nėra blogai, mano Mielczarekas – jis galėjo būti 10, 10 tūkstančių ar 10 trilijonų kartų didesnis. Ir bent jau nurodomas dydis. „Nežinau jokio kito modelio, pagal kurį eitų apskaičiuoti infliacijos trukmę,“ pabrėžia jis.

LQC modelis turi keistenybę – vienodu mastu sukėlusią džiaugsmą ir sumaištį. Suspaudus visatą dar šiek tiek stipriau, kad ji praeitų tylos momentą, šviesa ima judėti vėl, nors ir labai keistu būdu. Šioje tylos pusėje jos greitis tampa įsivaizduojamu skaičiumi, kvadratine neigiamo skaičiaus šaknimi. Lygtyje tai reiškia, kad laikas iš tiesų pavirto erdve. Gaunami keturi erdvės matmenys ir visiškai jokio laiko.

Visi keliai susijungia

Nors daugumai mūsų tai yra konceptuali problema, Barrau ir jo kolegoms tai buvo eureka akimirka. Jie tvirtina, kad tai dera su Stepheno Hawkingo ir Jameso Hartle'o įsivaizduotu singuliarumo apėjimo būdu. Jiems pavyko tai atlikti, panaudojant visatą su keturiais erdvės matmenimis ir be laiko.

Kitiems, pavyzdžiui, Martinui Bojowaldui iš Pennsylvania'jos valstijos universiteto, šis perėjimas į 4D erdvę atrodo kaip problema. Bojowaldui šio modelio pasekmės atrodo nuostabios, tačiau mano, kad Barrau ir jo kolegų atliktas kvantinių fluktuacijų modeliavimas klaidinantis ir tikriausiai nutolino juos nuo realybės.

Jis pripažįsta, jog tai nereiškia, kad žino, kaip tai reikėtų atlikti geriau. „Rezultatai rodo mums daug naujų problemų, kurių žmonės nesitikėjo,“ sako jis. „Iš tiesų tai gali labai stimuliuoti.“ Singhas taip geranoriškai nenusiteikęs. Jam tylos momentas atrodo kaip „labai preliminarių ir spekuliatyvių prielaidų“ pasekmė. „Išvados gan nebrandžios ir vargu ar teisingos.“

Praeis dar daug laiko, kol galėsime tinkamai išbandyti kurį nors iš šių modelių su tikra visata. Didžiausią galimybę tai atlikti leidžia subtilūs kosminio mikrobangų fono svyravimai. Pavyzdžiui, Europos kosmoso agentūros (ESA) Planck palydovo duomenys, sukuria detaliausią viso dangaus radiacijos paveikslą. Tačiau prietaiso jautrumo nepakanka, kad būtų galima patikrinti LQC modelį. „Reikės laukti „poplankinių“ matavimų,“ sako Barrau.

Primygtinai paprašytas paspekuliuoti, Carlipas mano, kad gali būti, jog naujausi BICEP2 teleskopu padaryti KMF žemėlapiai tyrinėja su didžiąja tyla ar matmenų išnykimu susijusius regionus. „Įmanom, kad egzistuoja kokie nors stebimi ženklai,“ sako jis. Tačiau neturi supratimo, kaip jie turėtų atrodyti.

LQC tyrėjai sutinka, kad nieko regimo kol kas nėra, bet užuominos gali pasirodyti laboratorijose vykstančiuose eksperimentuose (žr. „Darbastalio kosmologija“).

Žinoma, tai labai spekuliatyvu – kai kam netgi pernelyg spekuliatyvu. Bet įvairių kvantinės gravitacijos modelių sinergija suteikia gerą priežastį tyrinėti šią teritoriją ir toliau. Singhas nurodo LQC ir CDT rezonansą, tyrinėjant momentą, kai erdvėlaikis iš kvantinio tapo klasikiniu. Nors abiejų teorijų pradžia labai skirtinga, abi jos pateikia visiškai klasikinį erdvėlaikį dar iki visatai ženkliai išsiplečiant. „Tikriausia tai rodo, kad šie rezultatai yra gilesnės tiesos apie kvantinę erdvėlaikio prigimtį atspindys,“ svarsto Singhas.

Hossenfelder bendrumai taip pat jaudina. „Visi būdai turi savo „už“ ir „prieš““, sako ji. Bet jeigu skirtingi keliai veda prie panašių išvadų, Hossenfelder mano, kad tikrai turėtume atkreipti dėmesį. „Panašu, ši konvergencija stengiasi mums kažką pasakyti.“ Šššš…

Michael Brooks
New Scientist № 2973