De titel van dit artikel klinkt misschien niet als een slimme grap. Volgens het algemeen aanvaarde kosmologische concept, de oerknaltheorie, is ons universum ontstaan uit een extreme toestand van een fysiek vacuüm gegenereerd door een kwantumfluctuatie. In deze toestand bestond tijd noch ruimte (of waren ze verstrikt in ruimte-tijdschuim) en waren alle fundamentele fysieke interacties samengesmolten. Later splitsten ze zich op en verwierven een onafhankelijk bestaan - eerst zwaartekracht, daarna sterke interactie, en pas daarna - zwak en elektromagnetisch.
Laten we teruggaan naar wetenschappelijk onderbouwd
De Big Bang-theorie wordt vertrouwd door de absolute meerderheid van wetenschappers die de vroege geschiedenis van ons universum bestuderen. Het verklaart echt veel en is op geen enkele manier in tegenspraak met de experimentele gegevens. Onlangs heeft het echter een rivaal in het aangezicht van een nieuwe cyclische theorie, waarvan de fundamenten zijn ontwikkeld door twee buitengewone natuurkundigen - de directeur van het Institute of Theorhetic Science aan de Princeton University Paul Steinhardt en de laureaat van de Maxwell-medaille en de prestigieuze internationale TED-prijs Neil Turok, directeur van het Canadian Institute for Advanced Study in Theorhetic Fysica (Perimeter Instituut voor Theoretische Fysica). Met de hulp van professor Steinhardt probeerde Popular Mechanics te praten over de cyclische theorie en de redenen voor het verschijnen ervan.
Het moment voorafgaand aan de gebeurtenissen, toen 'eerst zwaartekracht, dan sterke interactie, en pas dan - zwak en elektromagnetisch'. Verscheen, het is gebruikelijk om als nul tijd aan te duiden, t = 0, maar dit is pure conventie, een eerbetoon aan wiskundig formalisme. Volgens de standaardtheorie begon de continue stroom van tijd pas nadat de zwaartekracht onafhankelijk werd. Dit moment wordt meestal toegeschreven aan de waarde t = 10-43 s (meer precies, 5,4x10-44 s), wat de Planck-tijd wordt genoemd. Moderne fysische theorieën zijn simpelweg niet in staat om zinvol te werken met kortere tijdsperioden (er wordt aangenomen dat dit een kwantumtheorie van zwaartekracht vereist, die nog niet is gemaakt). In de context van traditionele kosmologie heeft het geen zin om te praten over wat er gebeurde vóór het eerste moment in de tijd,omdat tijd in ons begrip toen gewoon niet bestond.
Het concept van inflatie is een essentieel onderdeel van de standaard kosmologische theorie (zie kader). Na het einde van de inflatie kwam de zwaartekracht tot zijn recht en bleef het universum zich uitbreiden, maar in een afnemend tempo. Deze evolutie duurde 9 miljard jaar, waarna een ander antizwaartekrachtveld van nog onbekende aard, de zogenaamde donkere energie, in werking trad. Het bracht het universum opnieuw in een modus van exponentiële expansie, die naar het schijnt in toekomstige tijden zou moeten doorgaan. Opgemerkt moet worden dat deze conclusies zijn gebaseerd op astrofysische ontdekkingen die aan het einde van de vorige eeuw zijn gedaan, bijna 20 jaar na het verschijnen van de inflatoire kosmologie.
De inflatoire interpretatie van de oerknal werd ongeveer 30 jaar geleden voor het eerst voorgesteld en is sindsdien vele malen verfijnd. Deze theorie maakte het mogelijk verschillende fundamentele problemen op te lossen waar de vorige kosmologie niet mee om kon gaan. Ze legde bijvoorbeeld uit waarom we in een universum leven met platte Euclidische meetkunde - volgens de klassieke Friedmann-vergelijkingen is dit precies wat het zou moeten doen met exponentiële expansie. De inflatoire theorie heeft verklaard waarom kosmische materie granulariteit heeft op een schaal van niet meer dan honderden miljoenen lichtjaren, en gelijkmatig verdeeld is over lange afstanden. Ze gaf ook een interpretatie van het mislukken van pogingen om magnetische monopolen te detecteren, zeer massieve deeltjes met een enkele magnetische pool, waarvan wordt aangenomen dat zewerden in overvloed geboren vóór het begin van de inflatie (inflatie rekte de ruimte zo uit dat de aanvankelijk hoge dichtheid van monopolen tot bijna nul werd teruggebracht, en daarom kunnen onze instrumenten ze niet detecteren).
Promotie video:
Kort nadat het inflatoire model verscheen, realiseerden verschillende theoretici zich dat de interne logica ervan niet in tegenspraak was met het idee van permanente meervoudige geboorte van steeds meer nieuwe universums. Inderdaad, kwantumfluctuaties, zoals die waaraan we onze wereld te danken hebben, kunnen in elke hoeveelheid voorkomen, mits de omstandigheden goed zijn. Het is mogelijk dat ons universum de fluctuatiezone heeft verlaten die in de voorgangerwereld is gevormd. Op dezelfde manier kan worden aangenomen dat er ergens en ergens in ons eigen heelal een fluctuatie zal ontstaan, die een jong heelal van een heel ander soort zal "uitblazen", dat ook in staat is tot kosmologische "voortplanting". Er zijn patronen waarin dergelijke kinderuniversa voortdurend opduiken, zich aftakken van hun ouders en hun eigen plek vinden. Bovendien is het helemaal niet nodig dat in dergelijke werelden dezelfde natuurwetten worden vastgesteld. Al deze werelden zijn "genest" in een enkel ruimte-tijd continuüm, maar ze zijn zo uit elkaar geplaatst dat ze elkaars aanwezigheid op geen enkele manier voelen. Over het algemeen laat het concept van inflatie het toe - bovendien dwingt het! - te geloven dat er in de gigantische megacosmos veel geïsoleerde universums zijn met verschillende arrangementen.
Theoretisch fysici vinden het heerlijk om alternatieven te bedenken voor zelfs de meest algemeen aanvaarde theorieën. Het inflatoire model van de oerknal kent ook concurrenten. Ze kregen geen brede steun, maar wel en hadden hun eigen volgers. De theorie van Steinhardt en Turok onder hen is niet de eerste en zeker niet de laatste. Tegenwoordig is het echter in meer detail ontwikkeld dan de andere en verklaart het de waargenomen eigenschappen van onze wereld beter. Het heeft verschillende versies, waarvan sommige gebaseerd zijn op de kwantumsnaartheorie en multidimensionale ruimtes, terwijl andere vertrouwen op de traditionele kwantumveldentheorie. De eerste benadering geeft levendigere beelden van kosmologische processen, dus we zullen er bij stilstaan.
De meest geavanceerde versie van snaartheorie staat bekend als M-theorie. Ze beweert dat de fysieke wereld 11 dimensies heeft - tien ruimtelijke en één tijdelijke. Daarin drijven ruimtes met lagere afmetingen, de zogenaamde branen. Ons universum is slechts een van deze branen, met drie ruimtelijke dimensies. Het is gevuld met verschillende kwantumdeeltjes (elektronen, quarks, fotonen, etc.), die in feite open vibrerende snaren zijn met slechts één ruimtelijke dimensie - lengte. De uiteinden van elke snaar zijn stevig bevestigd in een driedimensionale braan en de snaar kan de braan niet verlaten. Maar er zijn ook gesloten snaren die buiten de branen kunnen migreren - dit zijn gravitonen, quanta van het zwaartekrachtveld.
Hoe verklaart de cyclische theorie het verleden en de toekomst van het universum? Laten we beginnen met het huidige tijdperk. De eerste plaats behoort nu tot donkere energie, die ervoor zorgt dat ons universum exponentieel uitdijt en periodiek in omvang verdubbelt. Het resultaat is dat de dichtheid van materie en straling constant afneemt, de zwaartekracht van de ruimte verzwakt en de geometrie ervan steeds vlakker wordt. In de komende triljoen jaar zal de omvang van het universum ongeveer honderd keer verdubbelen en zal het veranderen in een bijna lege wereld, volledig verstoken van materiële structuren. Naast ons is nog een driedimensionaal braan, van ons gescheiden door een kleine afstand in de vierde dimensie, en ook het ondergaat een vergelijkbare exponentiële uitzetting en afvlakking. Al die tijd blijft de afstand tussen de branen praktisch ongewijzigd.
En dan beginnen deze parallelle branen samen te komen. Ze worden naar elkaar toe geduwd door een krachtveld, waarvan de energie afhangt van de afstand tussen de branen. Nu is de energiedichtheid van zo'n veld positief, dus de ruimte van beide branen breidt zich exponentieel uit - daarom is het dit veld dat het effect geeft dat wordt verklaard door de aanwezigheid van donkere energie! Deze parameter neemt echter geleidelijk af en zal over een triljoen jaar tot nul dalen. Beide branen zullen hoe dan ook blijven uitbreiden, maar niet exponentieel, maar in een zeer langzaam tempo. Bijgevolg zal in onze wereld de dichtheid van deeltjes en straling bijna nul blijven en zal de geometrie vlak blijven.
Maar het einde van het oude verhaal is slechts een opmaat naar de volgende cyclus. De stenen bewegen naar elkaar toe en komen uiteindelijk in botsing. In dit stadium daalt de energiedichtheid van het veld tussen de takken onder nul en begint het zich als zwaartekracht te gedragen (laat me je eraan herinneren dat de potentiële energie van de zwaartekracht negatief is!). Wanneer de braanen heel dichtbij zijn, begint het inter-braanveld kwantumfluctuaties op elk punt in onze wereld te versterken en transformeert het in macroscopische vervormingen van de ruimtelijke geometrie (bijvoorbeeld in een miljoenste van een seconde voor de botsing bereikt de berekende grootte van dergelijke vervormingen enkele meters). Na de botsing komt in deze zones het leeuwendeel van de kinetische energie die vrijkomt bij de botsing vrij. Het resultaat is dat daar het meeste hete plasma met een temperatuur van ongeveer 1023 graden ontstaat. Het zijn deze regio's die lokale zwaartekrachtknooppunten worden en in de embryo's van toekomstige sterrenstelsels veranderen.
Zo'n botsing vervangt de oerknal van de inflatoire kosmologie. Het is erg belangrijk dat alle nieuw gevormde materie met positieve energie verschijnt als gevolg van de geaccumuleerde negatieve energie van het veld tussen de takken, daarom wordt de wet van behoud van energie niet geschonden.
Hoe gedraagt zo'n veld zich op dit cruciale moment? Vóór de botsing bereikt de dichtheid van zijn energie een minimum (en negatief), begint dan toe te nemen en bij een botsing wordt deze nul. De branen stoten elkaar dan af en beginnen zich te verspreiden. De dichtheid van de onderling vertakte energie ondergaat een omgekeerde evolutie - opnieuw wordt het negatief, nul, positief. De brane, verrijkt met materie en straling, zet eerst uit met een afnemende snelheid onder de remmende werking van zijn eigen zwaartekracht, en gaat dan weer over in exponentiële expansie. De nieuwe cyclus eindigt zoals de vorige - en ga zo maar door tot in het oneindige. De cycli die aan de onze voorafgingen, kwamen ook in het verleden voor - in dit model is de tijd continu, dus het verleden bestaat na de 13,7 miljard jaar die zijn verstreken sinds de laatste verrijking van ons braan met materie en straling!Of ze überhaupt al begonnen waren, de theorie zwijgt.
Cyclische theorie verklaart de eigenschappen van onze wereld op een nieuwe manier. Het heeft een vlakke geometrie, omdat het aan het einde van elke cyclus buitensporig uitrekt en slechts een klein beetje vervormt voordat een nieuwe cyclus begint. Kwantumfluctuaties, die de voorlopers van sterrenstelsels worden, ontstaan chaotisch, maar gemiddeld gelijkmatig - daarom is de ruimte gevuld met klonten materie, maar op zeer grote afstanden is het vrij homogeen. We kunnen geen magnetische monopolen detecteren simpelweg omdat de maximale temperatuur van het pasgeboren plasma niet hoger was dan 1023 K, en er veel hogere energieën nodig zijn voor het verschijnen van dergelijke deeltjes - in de orde van 1027 K.
De cyclische theorie bestaat in verschillende versies, evenals de inflatie-theorie. Volgens Paul Steinhardt zijn de verschillen tussen hen echter puur technisch en alleen interessant voor specialisten, het algemene concept blijft ongewijzigd: “Ten eerste is er in onze theorie geen moment van het begin van de wereld, geen singulariteit. Er zijn periodieke fasen van intense creatie van materie en straling, die elk, indien gewenst, de oerknal kunnen worden genoemd. Maar elk van deze fasen markeert niet de opkomst van een nieuw universum, maar alleen een overgang van de ene cyclus naar de andere. Zowel ruimte als tijd bestaan zowel voor als na een van deze rampen. Daarom is het heel normaal om te vragen wat de stand van zaken was 10 miljard jaar vóór de laatste oerknal, van waaruit de geschiedenis van het universum wordt geteld.
Het tweede belangrijke verschil is de aard en rol van donkere energie. De inflatoire kosmologie voorspelde niet de overgang van een langzame expansie van het heelal naar een versnelde. En toen astrofysici dit fenomeen ontdekten door de explosies van verre supernovae te observeren, wist de standaardkosmologie niet eens wat ze eraan moesten doen. De hypothese van donkere energie werd eenvoudig naar voren gebracht om de paradoxale resultaten van deze waarnemingen op de een of andere manier aan de theorie te koppelen. En onze benadering is veel beter verzegeld door interne logica, aangezien we aanvankelijk donkere energie hebben en het is deze energie die zorgt voor de afwisseling van kosmologische cycli. " Maar, zoals Paul Steinhardt opmerkt, de cyclische theorie heeft ook zwakke punten: “We zijn nog niet in staat geweest om het botsings- en reboundproces van parallelle branen dat aan het begin van elke cyclus plaatsvindt, overtuigend te beschrijven. Andere aspecten van de cyclische theorie zijn veel beter ontwikkeld, maar er zijn nog veel onduidelijkheden die moeten worden opgehelderd."
Maar zelfs de mooiste theoretische modellen hebben experimentele verificatie nodig. Kan cyclische kosmologie worden bevestigd of weerlegd door waarnemingen? "Zowel inflatoire als cyclische theorieën voorspellen het bestaan van relikwie-gravitatiegolven", legt Paul Steinhardt uit. - In het eerste geval komen ze voort uit primaire kwantumfluctuaties, die tijdens het opblazen over de ruimte worden gesmeerd en periodieke oscillaties van de geometrie genereren - en dit zijn, volgens de algemene relativiteitstheorie, gravitatiegolven. In ons scenario zijn kwantumfluctuaties ook de hoofdoorzaak van dergelijke golven - dezelfde die worden versterkt door botsingen van branen. Berekeningen hebben aangetoond dat elk mechanisme golven genereert met een specifiek spectrum en specifieke polarisatie. Deze golven waren nodig om afdrukken achter te laten op kosmische microgolfstraling, wat een onschatbare bron van informatie is over de vroege ruimte. Tot nu toe zijn dergelijke sporen niet gevonden, maar dit zal hoogstwaarschijnlijk binnen het komende decennium gebeuren. Bovendien denken natuurkundigen al na over de directe registratie van relikwie-gravitatiegolven met behulp van ruimtevaartuigen, die over twee tot drie decennia zullen verschijnen."
Een ander verschil is volgens professor Steinhardt de temperatuurverdeling van de achtergrondstraling van microgolven: “Deze straling afkomstig van verschillende delen van de lucht is niet helemaal gelijkmatig van temperatuur, het heeft meer en minder verwarmde zones. Op het niveau van meetnauwkeurigheid dat wordt geboden door moderne apparatuur, is het aantal warme en koude zones ongeveer hetzelfde, wat samenvalt met de conclusies van beide theorieën - inflatoir en cyclisch. Deze theorieën voorspellen echter meer subtiele verschillen tussen zones. In principe zullen ze het vorig jaar gelanceerde Europese ruimteobservatorium 'Planck' en andere nieuwste ruimtevaartuigen kunnen identificeren. Ik hoop dat de resultaten van deze experimenten zullen helpen om een keuze te maken tussen inflatoire en cyclische theorieën. Maar het kan ook gebeurendat de situatie onzeker zal blijven en geen van de theorieën ondubbelzinnige experimentele ondersteuning zal krijgen. Nou, dan moet ik iets nieuws bedenken."
Volgens het inflatoire model breidde het heelal zich voor een zeer korte tijd kort na zijn geboorte exponentieel uit, waarbij het zijn lineaire afmetingen vele malen verdubbelde. Wetenschappers geloven dat het begin van dit proces in de tijd samenviel met de scheiding van de sterke interactie en plaatsvond op een tijdstip van 10-36 seconden. Een dergelijke uitbreiding (met de lichte hand van de Amerikaanse theoretisch fysicus Sidney Coleman, werd het kosmologische inflatie genoemd) was van zeer korte duur (tot 10-34 seconden), maar vergrootte de lineaire afmetingen van het heelal met minstens 1030-1050 keer, en mogelijk nog veel meer. Volgens de meeste specifieke scenario's werd de inflatie gelanceerd door een antizwaartekracht kwantumscalair veld, waarvan de energiedichtheid geleidelijk afnam en uiteindelijk een minimum bereikte. Voordat dit gebeurde, begon het veld snel te oscilleren,elementaire deeltjes genereren. Als resultaat was het heelal aan het einde van de inflatoire fase gevuld met een superhot plasma dat bestond uit vrije quarks, gluonen, leptonen en hoogenergetische quanta van elektromagnetische straling.
Een radicaal alternatief
In de jaren tachtig leverde professor Steinhardt een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van de standaard Big Bang-theorie. Dit weerhield hem er echter niet van om op zoek te gaan naar een radicaal alternatief voor de theorie, waarin zoveel werk was geïnvesteerd. Zoals Paul Steinhardt zelf tegen Popular Mechanics zei, onthult de inflatiehypothese veel kosmologische mysteries, maar dit betekent niet dat het geen zin heeft om naar andere verklaringen te zoeken: “In het begin was ik alleen geïnteresseerd in het proberen de basiseigenschappen van onze wereld te begrijpen zonder toevlucht te nemen tot inflatie. Later, toen ik dieper op deze kwestie inging, raakte ik ervan overtuigd dat de inflatoire theorie helemaal niet zo perfect is als de voorstanders ervan beweren. Toen de inflatoire kosmologie net werd gecreëerd, hoopten we dat dit de overgang van de aanvankelijke chaotische toestand van materie naar het huidige geordende universum zou verklaren. Ze deed het - maar ze ging veel verder.
De interne logica van de theorie eiste te erkennen dat inflatie voortdurend een oneindig aantal werelden creëert. Dit zou geen probleem zijn als hun fysieke apparaat het onze zou kopiëren, maar dit werkt gewoon niet. Met behulp van de inflatoire hypothese was het bijvoorbeeld mogelijk om uit te leggen waarom we in een vlakke Euclidische wereld leven, maar de meeste andere universums zullen tenslotte zeker niet dezelfde geometrie hebben. Kortom, we waren een theorie aan het bouwen om onze eigen wereld te verklaren, en die liep uit de hand en bracht een eindeloze verscheidenheid aan exotische werelden voort. Deze gang van zaken paste niet meer bij mij. Bovendien kan de standaardtheorie de aard van de eerdere toestand, die aan de exponentiële expansie voorafging, niet verklaren. In die zin is het net zo onvolledig als de pre-inflatoire kosmologie. Tenslotte,ze kan niets zeggen over de aard van donkere energie, die de uitbreiding van ons universum gedurende 5 miljard jaar heeft aangestuurd.
