Selle artikli pealkiri ei pruugi tunduda nutika naljana. Vastavalt üldtunnustatud kosmoloogilisele kontseptsioonile, Suure Paugu teooriale, tekkis meie Universum kvantliikumiste tekitatud füüsilise vaakumi äärmuslikust seisundist. Selles olekus ei eksisteerinud ei aega ega ruumi (või olid nad takerdunud aegruumi vahtu) ja kõik põhilised füüsikalised vastasmõjud olid kokku sulatatud. Hiljem nad eraldusid ja omandasid iseseisva eksistentsi - kõigepealt gravitatsiooni, seejärel tugeva suhtluse ja alles siis - nõrga ja elektromagnetilise.
Tuleme tagasi teaduspõhise juurde
Suure Paugu teooriat usaldab absoluutne enamus teadlasi, kes uurivad meie Universumi varajast ajalugu. See seletab tõesti palju ja ei ole eksperimentaalsete andmetega kuidagi vastuolus. Viimasel ajal on tal aga rivaal uue tsüklilise teooria ees, mille alused töötasid välja kaks klassivälist füüsikut - Princetoni ülikooli teoreetiliste teaduste instituudi direktor Paul Steinhardt ning Maxwelli medali ja maineka rahvusvahelise TED-preemia laureaat Neil Turok, Kanada teoreetiliste kõrgtehnoloogiainstituudi direktor Neil Turok. Füüsika (teoreetilise füüsika perimeetri instituut). Professor Steinhardti abiga püüdis Popular Mechanics rääkida tsükliteooriast ja selle ilmumise põhjustest.
Sündmustele eelnenud hetk, kui „esimene raskusjõud, seejärel tugev vastastikmõju ja alles siis - nõrk ja elektromagnetiline.” Ilmunud ilmudes on tavaks tähistada null aega, t = 0, kuid see on puhas konventsioon, austusavaldus matemaatilisele formalismile. Standardteooria kohaselt algas pidev ajavool alles pärast raskusjõu iseseisvumist. Seda hetke omistatakse tavaliselt väärtusele t = 10-43 s (täpsemalt 5,4x10-44 s), mida nimetatakse Plancki ajaks. Kaasaegsed füüsikalised teooriad pole lihtsalt võimelised sisukamalt töötama lühema ajaga (arvatakse, et selleks on vaja kvantgravitatsiooniteooriat, mida pole veel loodud). Traditsioonilise kosmoloogia kontekstis pole mõtet rääkida sellest, mis juhtus enne algset ajahetke,sest aega meie mõistes lihtsalt siis polnud.
Inflatsiooni mõiste on standardse kosmoloogilise teooria oluline osa (vt külgriba). Pärast inflatsiooni lõppu jõudis gravitatsioon omaette ja Universum jätkas laienemist, kuid väheneva kiirusega. See evolutsioon kestis 9 miljardit aastat, misjärel asus tegutsema veel üks seni tundmatu iseloomuga gravitatsiooniväli, mida nimetatakse tumedaks energiaks. See viis Universumi taas eksponentsiaalse laienemise režiimi, mis näib pidavat jätkuma ka tulevastel aegadel. Tuleb märkida, et need järeldused põhinevad astrofüüsikalistel avastustel, mis tehti eelmise sajandi lõpus, peaaegu 20 aastat pärast inflatsioonilise kosmoloogia ilmumist.
Suure Paugu inflatsioonitõlgendust pakuti esmakordselt umbes 30 aastat tagasi ja seda on pärast seda mitu korda täiustatud. See teooria võimaldas lahendada mitmeid põhiprobleeme, millega varasem kosmoloogia toime ei tulnud. Näiteks selgitas ta, miks me elame lameda eukleidese geomeetriaga universumis - klassikaliste Friedmanni võrrandite järgi peaks see eksponentsiaalse paisumisega täpselt nii toimima. Inflatsiooniteooria on selgitanud, miks kosmilise aine granulaarsus on skaalal, mis ei ületa sadu miljoneid valgusaastaid, ja jaotub ühtlaselt pikkade vahemaade taha. Ta tõlgendas ka ebaõnnestumisi, kui katsed avastada magnetilisi monopole, ühe magnetpoolusega väga massilisi osakesi, mis arvatakse olevatsündisid enne inflatsiooni algust arvukalt (inflatsioon venitas ruumi nii palju, et monopoolide esialgu suur tihedus vähenes peaaegu nullini ja seetõttu ei suuda meie instrumendid neid tuvastada).
Reklaamvideo:
Varsti pärast inflatsioonimudeli ilmnemist mõistsid mitmed teoreetikud, et selle sisemine loogika ei ole vastuolus üha uute universumite püsiva mitmekordse sündimise ideega. Tõepoolest, kvant kõikumisi, nagu need, mille võlgneme oma maailma eksisteerimisele, võib esineda mis tahes koguses, kui tingimused on sobivad. Võimalik, et meie universum on lahkunud eelkäijamaailmas moodustatud kõikumistsoonist. Samamoodi võib eeldada, et millalgi ja kusagil meie oma Universumis moodustub kõikumine, mis "puhub välja" täiesti teist tüüpi noore universumi, mis on samuti võimeline kosmoloogiliseks "sigimiseks". On mustreid, milles sellised lapsuniversumid tekivad pidevalt, hargnevad vanematest ja leiavad oma koha. Pealegi pole üldse vajalik, et sellistes maailmades kehtestataks samad füüsilised seadused. Kõik need maailmad on "pesitsetud" ühte aegruumi pidevusse, kuid nad on üksteisest nii kaugel, et ei tunne üksteise kohalolekut kuidagi. Üldiselt võimaldab inflatsiooni mõiste - pealegi sunnib! - uskuma, et hiiglaslikes megakosmosides on palju isoleeritud universume, millel on erinev korraldus.
Teoreetilised füüsikud armastavad välja mõelda alternatiive ka kõige üldtunnustatud teooriatele. Suure Paugu inflatsioonimudelil on ka konkurente. Nad ei saanud laialdast toetust, kuid neil on ja on oma järgijad. Steinhardti ja Turoki teooria nende hulgas pole esimene ja kindlasti mitte viimane. Kuid tänapäeval on see välja töötatud üksikasjalikumalt kui teised ja selgitab paremini meie maailma täheldatud omadusi. Sellel on mitu versiooni, millest mõned põhinevad kvantstringi teoorial ja mitmemõõtmelistel ruumidel, teised aga toetuvad traditsioonilisele kvantvälja teooriale. Esimene lähenemine annab kosmoloogilistest protsessidest erksamaid pilte, nii et peatume sellel.
Stringiteooria kõige arenenumat versiooni tuntakse kui M-teooriat. Ta väidab, et füüsilises maailmas on 11 mõõdet - kümme ruumilist ja üks ajaline. Selles hõljuvad madalamate mõõtmetega ruumid, nn branad. Meie universum on vaid üks neist kolmest ruumilisest mõõtmest koosnevatest brändidest. See on täidetud erinevate kvantosakestega (elektronid, kvarkid, footonid jne), mis tegelikult on avatud vibreerivad stringid, millel on ainult üks ruumiline mõõde - pikkus. Iga nööri otsad on kindlalt kinnitatud kolmemõõtmelise brana sisse ja nöör ei saa brane'ist lahkuda. Kuid on ka suletud stringe, mis võivad migreeruda väljaspool brane - need on gravitoonid, gravitatsioonivälja kvandid.
Kuidas tsükliline teooria seletab universumi minevikku ja tulevikku? Alustame praegusest ajastust. Esimene koht kuulub nüüd tumedale energiale, mis põhjustab meie universumi eksponentsiaalset laienemist, perioodiliselt kahekordistudes. Seetõttu väheneb aine ja kiirguse tihedus pidevalt, ruumi gravitatsiooniline kõverus nõrgeneb ja selle geomeetria muutub järjest lamedamaks. Järgmise triljoni aasta jooksul kahekordistab universumi suurus umbes sada korda ja see muutub peaaegu tühjaks maailmaks, kus puudub täielikult materiaalne struktuur. Meie kõrval on veel üks kolmemõõtmeline brana, mida neljandas dimensioonis eraldab meist pisike vahemaa, ja ka see läbib sarnase eksponentsiaalse laienemise ja lamenemise. Kogu selle aja jääb branide vahe praktiliselt muutumatuks.
Ja siis hakkavad need paralleelsed pidurid lähenema. Neid surub üksteise poole jõuväli, mille energia sõltub branide vahelisest kaugusest. Nüüd on sellise välja energiatihedus positiivne, seega laieneb mõlema harja ruum eksponentsiaalselt - seega annab just see väli efekti, mida seletatakse tumeda energia olemasoluga! Kuid see parameeter väheneb järk-järgult ja langeb triljoni aasta pärast nulli. Mõlemad pidurid laienevad niikuinii, kuid mitte hüppeliselt, vaid väga aeglases tempos. Järelikult jääb meie maailmas osakeste ja kiirguse tihedus peaaegu nulli ning geomeetria jääb tasaseks.
Kuid vana loo lõpp on vaid eelmäng järgmisele tsüklile. Branid liiguvad üksteise poole ja põrkavad lõpuks kokku. Selles etapis langeb harudevahelise välja energiatihedus alla nulli ja see hakkab toimima nagu raskusjõud (tuletan meelde, et potentsiaalne raskusenergia on negatiivne!). Kui braanid on väga lähedal, hakkab harjadevaheline väli meie maailma igas punktis võimendama kvandikõikumisi ja muudab need ruumigeomeetria makroskoopilisteks deformatsioonideks (näiteks miljonilise sekundi jooksul enne kokkupõrget ulatub selliste deformatsioonide arvutatud suurus mitme meetrini). Pärast kokkupõrget vabaneb lõviosa löögi ajal vabanenud kineetilisest energiast just nendes tsoonides. Selle tulemusena tekib seal enamus kuumast plasmast, mille temperatuur on umbes 1023 kraadi. Just nendest piirkondadest saavad kohalikud gravitatsioonisõlmed ja need muutuvad tulevaste galaktikate embrüoteks.
Selline kokkupõrge asendab inflatsioonilise kosmoloogia Suurt Pauku. On väga oluline, et kogu vastloodud positiivse energiaga aine ilmub tootmisharudevahelise välja akumuleerunud negatiivse energia tõttu, seetõttu ei rikuta energia jäävuse seadust.
Ja kuidas selline väli sel otsustaval hetkel käitub? Enne kokkupõrget saavutab selle energia tihedus miinimumi (ja negatiivse), hakkab seejärel suurenema ja kokkupõrkel muutub nulliks. Seejärel tõrjuvad braanid üksteist ja hakkavad laiali minema. Hargnenud energia tihedus läbib vastupidise evolutsiooni - jälle muutub see negatiivseks, nulliks, positiivseks. Aine ja kiirgusega rikastatud pruun laieneb kõigepealt väheneva kiirusega oma gravitatsiooni pidurdusmõjul ja liigub seejärel taas eksponentsiaalsele paisumisele. Uus tsükkel lõpeb nagu eelmine - ja nii edasi lõpmatult. Meie omale eelnevad tsüklid toimusid ka minevikus - selles mudelis on aeg pidev, nii et minevik eksisteerib ka pärast 13,7 miljardit aastat, mis on möödunud meie braani viimasest rikastamisest aine ja kiirgusega!Kas neil üldse algus oli, on teooria vaikne.
Tsükliline teooria selgitab meie maailma omadusi uuel viisil. Selle geomeetria on lame, kuna iga tsükli lõpus venib see ülemäära ja deformeerub enne uue tsükli alustamist vaid veidi. Kvantide kõikumine, mis saab galaktikate eelkäijateks, tekivad kaootiliselt, kuid keskmiselt ühtlaselt - seetõttu on kosmos täidetud ainehunnikutega, kuid väga suurel kaugusel on see üsna homogeenne. Me ei saa tuvastada magnetilisi monopole lihtsalt sellepärast, et vastsündinud plasma maksimaalne temperatuur ei ületanud 1023 K ja selliste osakeste ilmumiseks on vaja palju suuremaid energiaid - suurusjärgus 1027 K.
Tsükliline teooria eksisteerib mitmes versioonis, nagu ka inflatsiooniteooria. Kuid Paul Steinhardti sõnul on nendevahelised erinevused puhtalt tehnilised ja huvitavad ainult spetsialiste, üldine kontseptsioon jääb muutumatuks: „Esiteks pole meie teoorias maailma alguse hetke ega singulaarsust. On aine ja kiirguse intensiivse loomise perioodilisi faase, millest igaüht võib soovi korral nimetada Suureks Pauguks. Kuid ükski neist faasidest ei tähenda uue universumi tekkimist, vaid ainult üleminekut ühest tsüklist teise. Nii aeg kui aeg eksisteerivad nii enne kui ka pärast mõnda neist kataklüsmidest. Seetõttu on üsna loomulik küsida, mis seis oli 10 miljardit aastat enne viimast Suurt Pauku, millest loetakse universumi ajalugu.
Teine peamine erinevus on tumeda energia olemus ja roll. Inflatsiooniline kosmoloogia ei ennustanud Universumi aeglustuva laienemise üleminekut kiirendatud tasemele. Ja kui astrofüüsikud avastasid selle nähtuse kaugete supernoovade plahvatusi jälgides, ei teadnud tavaline kosmoloogia isegi, mida sellega teha. Pimeda energia hüpotees esitati lihtsalt selleks, et kuidagi siduda nende vaatluste paradoksaalsed tulemused teooriaga. Ja meie lähenemisviisi kinnitab sisemine loogika palju paremini, kuna meil on esialgu tume energia ja just see energia tagab kosmoloogiliste tsüklite vaheldumise. " Kuid nagu märgib Paul Steinhardt, on tsüklilisel teoorial ka nõrgad kohad: „Me ei ole veel suutnud veenvalt kirjeldada iga tsükli alguses aset leidvate paralleelsete pidurite kokkupõrke- ja tagasilöögiprotsessi. Muud tsükliteooria aspektid on palju paremini välja töötatud, kuid siiski on veel palju ebaselgust, mida tuleb kõrvaldada."
Kuid ka kõige ilusamad teoreetilised mudelid vajavad eksperimentaalset kontrollimist. Kas tsüklilist kosmoloogiat saab vaatluste abil kinnitada või ümber lükata? "Nii inflatsioonilised kui ka tsüklilised teooriad ennustavad reliktide gravitatsioonilainete olemasolu," selgitab Paul Steinhardt. - Esimesel juhul tulenevad need primaarsetest kvant kõikumistest, mis on inflatsiooni ajal määrdunud ruumis ja tekitavad selle geomeetria perioodilisi võnkeid - ja need on üldrelatiivsusteooria kohaselt gravitatsioonilained. Meie stsenaariumi korral on selliste lainete algpõhjuseks ka kvantlikud kõikumised - samad, mida võimendavad ka pruunide kokkupõrked. Arvutused on näidanud, et iga mehhanism tekitab kindla spektri ja kindla polarisatsiooniga laineid. Need lained pidid jätma jäljed kosmilisele mikrolainekiirgusele, mis on hindamatu infoallikas varase kosmose kohta. Siiani pole selliseid jälgi leitud, kuid tõenäoliselt tehakse seda järgmise kümnendi jooksul. Lisaks mõtlevad füüsikud juba reliikviliste gravitatsioonilainete otsesele registreerimisele kosmoseaparaatide abil, mis ilmuvad kahe kuni kolme aastakümne pärast."
Teine erinevus on professor Steinhardti sõnul mikrolainete taustkiirguse temperatuuri jaotus: „See taeva erinevatest osadest tulev kiirgus ei ole temperatuurilt üsna ühtlane, sellel on üha vähem kuumutatud tsoone. Kaasaegsete seadmete pakutava mõõtetäpsuse tasemel on sooja ja külma tsooni arv ligikaudu sama, mis langeb kokku mõlema teooria - nii inflatsioonilise kui ka tsüklilise - järeldustega. Kuid need teooriad ennustavad tsoonide vahel peenemaid erinevusi. Põhimõtteliselt suudavad nad tuvastada eelmisel aastal käivitatud Euroopa kosmosevaatluskeskuse Planck ja teiste uusimate kosmoseaparaatide. Loodan, et nende katsete tulemused aitavad valida inflatsiooni- ja tsükliteooriate vahel. Kuid see võib juhtuda nii,et olukord jääb ebakindlaks ja ükski teooriatest ei saa ühemõttelist eksperimentaalset tuge. Noh, siis pean midagi uut välja mõtlema."
Inflatsioonimudeli järgi laienes Universum eksponentsiaalselt väga lühikese aja jooksul vahetult pärast sündi, kahekordistades selle lineaarsed mõõtmed mitu korda. Teadlased usuvad, et selle protsessi algus langes ajaliselt kokku tugeva interaktsiooni eraldumisega ja toimus ajamärgil 10–36 s. Selline laienemine (Ameerika teoreetilise füüsiku Sidney Colemani kerge käega nimetati seda kosmoloogiliseks inflatsiooniks) oli äärmiselt lühiajaline (kuni 10–34 s), kuid suurendas Universumi lineaarseid mõõtmeid vähemalt 1030–1050 korda ja võib-olla palju rohkem. Enamike spetsiifiliste stsenaariumite kohaselt käivitas inflatsiooni anti-gravitatsiooniline kvantskalaarne väli, mille energiatihedus järk-järgult vähenes ja jõudis lõpuks miinimumini. Enne kui see juhtus, hakkas väli kiiresti võnkuma,tekitades elementaarosakesi. Selle tulemusena täitus Universum inflatsioonifaasi lõpuks superkuumplasmaga, mis koosnes vabadest kvarkidest, gluoonidest, leptoonidest ja suure energiaga elektromagnetkiirguse kvantidest.
Radikaalne alternatiiv
1980. aastatel andis professor Steinhardt märkimisväärse panuse Suure Paugu standardteooria väljatöötamisse. See aga ei takistanud teda otsimast radikaalset alternatiivi teooriale, millesse oli investeeritud nii palju tööd. Nagu Paul Steinhardt ise ajalehele Popular Mechanics ütles, paljastab inflatsioonihüpotees küll palju kosmoloogilisi saladusi, kuid see ei tähenda, et poleks mõtet otsida muid seletusi: „Alguses oli mul lihtsalt huvi proovida mõista meie maailma põhiomadusi ilma inflatsiooni kasutamata. Hiljem, kui sellesse teemasse süvenesin, veendusin, et inflatsiooniteooria pole sugugi nii täiuslik, kui selle pooldajad väidavad. Kui inflatsioonilist kosmoloogiat alles loodi, lootsime, et see selgitab üleminekut aine esialgsest kaootilisest olekust praegusele korrastatud Universumile. Ta tegi seda - aga ta läks palju kaugemale.
Teooria sisemine loogika nõudis tõdemust, et inflatsioon loob pidevalt lõpmatu hulga maailmu. See oleks okei, kui nende füüsiline seade kopeeriks meie oma, kuid see lihtsalt ei tööta. Näiteks inflatsioonihüpoteesi abil oli võimalik selgitada, miks me elame lamedas Eukleidese maailmas, kuid lõppude lõpuks pole enamikul teistel universumitel kindlasti sama geomeetria. Lühidalt öeldes ehitasime teooriat omaenda maailma selgitamiseks ja see läks käest ära ning sünnitas lõputult mitmesuguseid eksootilisi maailmu. See olukord ei sobinud mulle enam. Pealegi ei suuda standardteooria selgitada eksponentsiaalsele laienemisele eelnenud varasema seisundi olemust. Selles mõttes on see sama puudulik kui inflatsioonieelne kosmoloogia. Lõpuksta ei oska midagi öelda tumeda energia olemuse kohta, mis on meie universumi laienemist vedanud juba 5 miljardit aastat.
