Ciklinis modelis: begalinis Visatos gimimas

Šio amžiaus pradžioje du Princetono universiteto fizikai pasiūlė kosmologinį modelį, kuriame Didysis sprogimas nėra unikalus įvykis, o erdvėlaikis egzistavo jau gerokai iki Visatos gimimo.

Cikliniame modelyje Visata yra begalinis save palaikantis ciklas. Praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje Albertas Einsteinas iškėlė idėją, kad Visata gali egzistuoti kaip begalinis didžiųjų sprogimų ir didžiųjų susitraukimų ciklas. Mūsų Visata gali plėstis, kolapsavus ankstesnei Visatai. Remiantis šiuo modeliu, galima sakyti, Visata atgimė iš savo pirmtakės žūties. Jei taip, tada Didysis sprogimas nebuvo kuo nors ypatingas, unikalus, o tik dar vienas iš niekuo neišsiskiriančių sprogimų tarp begalės tokių pat. Ciklinė teorija nebūtinai pakeičia Didžiojo sprogimo teoriją: ji veikiau bando atsakyti į kitus klausimus: pavyzdžiui, kas buvo iki Didžiojo sprogimo ir kodėl Didysis sprogimas sukėlė greitojo plėtimosi periodą?

Vieną iš naujų ciklinių Visatos modelių 2001 metais pasiūlė Paulas Steinhardtas ir Neilas Turokas. Steinhardtas šį modelį aprašė straipsnyje, kuris taip ir vadinasi — „Ciklinis Visatos modelis“ (The Cyclic Model of the Universe). Stygų teorijoje membrana, arba „brana“, yra objektas, egzistuojantis tam tikrame skaičiuje išmatavimų. Pagal Steinhardtą ir Turoką, mūsų regimi trys erdvės išmatavimai atitinka šias branas. Dvi trimatės branos gali egzistuoti paraleliai, atskirtos papildomu, paslėptu matmeniu. Šios branos — jas galima įsivaizduoti kaip metalo plokštes — gali judėti tame papildomam matmenyje ir tarpusavyje susidurti, sukurdamos didžiuosius sprogimus, tad ir visatas (kaip kad mūsiškę). Susidūrus branoms, įvykiai vystosi pagal standartinį Didžiojo sprogimo modelį: sukuriama karšta materija ir spinduliavimas, vyksta sparti infliacija, o paskui viskas atvėsta — formuojasi tokios struktūros, kaip galaktikos, žvaigždės ir planetos. Visgi Steinhardtas ir Turokas tvirtina, kad šios branos visada veikia viena kitą, ir šią sąveiką jie vadina tarpbranine: jos traukia viena kitą, vėl susiduria ir įvyksta kitas Didysis sprogimas.

Tačiau Steinhardto ir Turoko modelis su kai kuriomis Didžiojo sprogimo modelio prielaidomis nedera. Pavyzdžiui, juo remiantis, Didysis sprogimas nebuvo laiko ir erdvės pradžia, o veikiau perėjimas iš ankstesnės evoliucijos fazės. Didžiojo sprogimo modelyje teigiama, kad laiko ir erdvės atsiradimas buvo būtent šio įvykio pasekmė. Be to, susiduriančių branų cikle stambiąją Visatos struktūrą turi apspręsti suspaudimo fazė: tai yra, prieš branoms susiduriant ir prieš įvykstant eiliniam Didžiajam sprogimui. Pagal Didžiojo sprogimo teoriją, stambiąją Visatos struktūrą lemia greitojo plėtimosi (infliacijos) periodas, įvykęs netrukus po sprogimo. Be to, Didžiojo sprogimo modelis nenumato, kiek laiko egzistuos Visata, o pagal Steinhardto modelį, kiekvienas ciklas trunka maždaug trilijoną metų.

Ciklinis Visatos modelis pranašesnis už Didžiojo sprogimo modelį, nes gali paaiškinti vadinamąją kosmologinę konstantą. Šios konstantos reikšmė tiesiogiai susijusi su spartėjančiu Visatos plėtimusi: ji paaiškina, kodėl erdvė plečiasi taip greitai. Stebėjimai rodo, kad kosmologinė konstanta labai maža. Dar neseniai manyta, kad jos reikšmė 120 skaičiaus dydžio eilių mažesnė už standartinės Didžiojo sprogimo teorijoje numatytą. Šis stebėjimų ir teorinių skaičiavimų neatitikimas jau seniai yra viena iš didžiausių šiuolaikinės kosmologijos problemų. Tačiau neseniai gauti nauji duomenys apie Visatos plėtimąsi, kurie rodo, kad ji plečiasi greičiau, nei manyta. Telieka laukti naujų stebėjimų, kurie patvirtintų (arba paneigtų) jau gautus duomenis.

1979 metų Nobelio fizikos premijos laureatas Stevenas Weinbergas modelio prognozių ir stebėjimų neatitikimą stengiasi paaiškinti vadinamuoju antropiniu principu. Pagal jį, kosmologinės konstantos reikšmė – atsitiktinė ir įvairiose Visatos dalyse skiriasi. Neturėtume stebėtis, kad gyvename tokioje retai pasitaikančioje srityje, kur šios konstantos reikšmė tokia maža, nes tik esant tokiai reikšmei, gali išsivystyti žvaigždės, planetos ir gyvybė. Tačiau kai kurių fizikų toks paaiškinimas netenkina, nes nėra įrodymų, kad kituose regimos Visatos regionuose šios konstantos reikšmė būtų kitokia.

Panašų modelį devintajame dešimtmetyje sukūrė fizikas Larry'is Abbottas. Tačiau jo modelyje kosmologinės konstantos mažėjimas buvo toks lėtas, kad per tą laiką visa Visatos materija išsisklaidytų po kosmosą, ir jis, iš esmės, liktų tuščias. Steinhardto ir Turoko cikliniame Visatos modelyje kosmologinė konstanta yra tokia maža, nes iš pradžių ji buvo labai didelė, tačiau sulig kiekvienu nauju ciklu mažėjo. Kitaip tariant, per kiekvieną didįjį sprogimą „nusinulina“ medžiagos ir spinduliavimo kiekis Visatoje, tačiau ne kosmologinė konstanta. Per visus daugybę ciklų jos reikšmė mažėjo ir dabar yra būtent tokia – \(5,98×10^{-10} J/m^{3}\).

Viename interviu Neilas Turokas apie jo ir Steinhardto modelį sakė:

„Mes pasiūlėme mechanizmą, kuriame superstygų teorija ir M-teorija (geriausios mūsų apibendrintos kvantinės gravitacijos teorijos) suteikia galimybę Visatai pereiti per Didįjį sprogimą. Tačiau norint suprasti, ar mūsų prielaida yra visiškai suderinta, būtini tolesni teoriniai darbai“.

Mokslininkai tikisi, kad vystantis technologijoms, atsiras galimybių patikrinti ir šią ir kitas teorijas. Pagal standartinį kosmologinį modelį (ΛCDM), netrukus po Didžiojo sprogimo prasidėjo infliacijos periodas, pripildęs Visatą gravitacinėmis bangomis. 2015 metas buvo užregistruotas gravitacinių bangų signalas (GW150914), kurio forma sutapo su Bendrosios reliatyvumo teorijos numatyta dviejų juodųjų skylių susiliejimui. 2017 metais už šį atradimą fizikams Rainer Weiss, Barry C. Barish ir Kip S. Thorne skirta Nobelio premija. Vėliau buvo užfiksuotos neutroninių žvaigždžių (GW170817) susiliejimo sukeltos gravitacinės bangos. Tačiau kosminės infliacijos sukeltos gravitacinės bangos dar neužfiksuotos. Negana to, Steinhardtas ir Turokas pabrėžia, kad jeigu jų modelis teisingas, tai tokios gravitacinės bangos bus pernelyg mažos, kad jas būtų galima „apčiuopti“.

naked-science.ru