Хората винаги са били очаровани от две основни теории за произхода на Вселената. „В един от тях Вселената се появява в един-единствен момент на сътворение (както в юдео-християнската и бразилската космогония)“, написаха космолозите Марио Новело и Сантяго Перес-Берглиф през 2008 г. В друго - "Вселената е вечна и се състои от безкрайна серия от цикли (както в космогонията на вавилонците и египтяните)." Разделението в съвременната космология "по някакъв начин оглася космогоничните митове", пишат космолозите.
Може да изглежда, че не е имало много конфронтация през последните няколко десетилетия. Теорията за големия взрив, стандартна тема в учебниците и телевизионните предавания, се радва на силна подкрепа от съвременните космолози. Картината на една вечна вселена беше за предпочитане преди около сто години, но загуби подкрепа, когато астрономите видяха, че космосът се разширява и че е малък и прост преди 14 милиарда години. В най-популярната съвременна версия на тази теория Големият взрив започва с т. Нар. „Космическа инфлация“- изблик на експоненциално разширение, по време на който безкрайно малка част от космическото време набъбна в огромно, плоско, макроскопично пространство, което продължава да се разширява оттогава.
Днес, използвайки една първоначална съставка (инфлатонното поле), инфлационните модели възпроизвеждат много от известните детайли на Космоса. Но като история за произхода теорията на инфлацията губи по много начини: не е ясно какво е предшествало и какво е било преди. Много теоретици смятат, че инфлатонното поле трябва естествено да се впише в по-пълна, макар и все още неизвестна теория за произхода на времето.
През последните няколко години все повече космолози започват предпазливо да преразглеждат алтернативата. Казват, че Големият взрив би могъл да бъде … Големият отскок. Някои космолози предпочитат да видят картина, в която Вселената се разширява и свива циклично като бял дроб, отскачайки винаги, когато се свие до определен размер; други предполагат, че Космосът отскочи само веднъж - и че той се разпадна преди да отскочи за безкрайно дълго време и ще се разшири за неопределено време след това. Във всеки модел времето продължава да тече в миналото и бъдещето без край.
Съществува надежда с модерната наука да разреши този древен дебат. В следващите години телескопите трябва да намерят убедителни доказателства за космическа инфлация. По време на първия буен растеж - ако имаше такъв - квантовите пулсации в тъканта на космическото време трябваше да се изпънат и да се отпечатват като малки вихри при поляризацията на древна светлина - космическия микровълнов фон. Експерименти със съвременни и бъдещи телескопи търсят тези вихри. Ако те не бъдат открити през следващите няколко десетилетия, това също няма да означава, че теорията за инфлацията е грешна (в края на краищата тези вихри могат да са твърде неясни), но ще засилят позицията на отскочилата космология, според която тези вихри не трябва да съществуват.
Няколко групи учени едновременно постигнаха забележителен напредък. Миналата година физиците определиха два нови варианта за евентуален отскок. Един от моделите, описан в документ, който се появи в списанието за списанието по космология и физика на астрочастиците, беше представен от Ана Иджас от Колумбийския университет, след предишната й работа с космолога Пол Щайнхард. Изненадващо, друго ново решение за възстановяване, прието за публикуване във Physical Review D, беше предложено от Питър Греъм, Дейвид Каплан и Суржит Рахендран, известен трио от учени, които бяха по-фокусирани върху физиката на частиците и нямаха връзка с космологичната общност на скачащите.
Като цяло този въпрос придоби нов смисъл през 2001 г., когато Щайнхард и трима други космолози заявиха, че периодът на бавно компресиране в историята на Вселената може да обясни изключителната му гладкост и плоскост, които наблюдаваме днес, дори и след отскок - без да се налага да се вкарва в инфлация.
Промоционално видео:
Безупречната простота на Вселената, фактът, че никой регион на небето не съдържа повече материя от която и да е друга и че пространството е толкова плоско, колкото могат да видят телескопите, са невероятни и необясними. За да бъде пространството толкова хомогенно, експертите смятат, че когато пространството е било на сантиметър, трябва да има еднаква плътност навсякъде в рамките на една част на 100 000. струпване и изкривяване на пространството-времето. Защо нашите телескопи не могат да видят вселена, унищожена от гравитацията?
„Инфлацията излезе от идеята, че гладкостта и плоскостта на Вселената са луди“, казва космологът Нийл Турок, директор на Института за теоретична физика на периметъра във Ватерлоо, Онтарио, и съавтор на статия от 2001 г. за космическото свиване от Щайнхард, Джъстин Хаури и Берт Овроот. … При инфлационния сценарий регионът с размери на сантиметър се появи в процеса на инфлационно разширяване на още по-малък регион - малка петъпка, не по-голяма от една трилионна част от трилионна част от сантиметър. Разпъвайки се в плоско и гладко инфлатонично поле, тази петна не би трябвало да е преминала през силни колебания на пространството и времето и да се е простирала в голяма и гладка вселена като нашата. Раман Сундрум, теоретичен физик от Университета в Мериленд, заяви, че харесва "вградена устойчивост" на инфлацията. Ако по време на фазата на експлозивен растеж е имало натрупване на енергия, което е изкривявало пространството и времето на определено място, тази концентрация е трябвало бързо да се разшири.
Обаче откъде точно идва тази невероятно малка петънце и защо е толкова гладка и плоска, никой не знае. Теоретиците са открили много възможни варианти за включване на инфлатоновото поле в теория на струните, от които може да се извлече квантова теория на гравитацията. Но засега няма факти нито за, нито против тези идеи.
Космическата инфлация също има противоречива последица. Теорията, представена през 80-те години от Алън Гут, Андрей Линде, Алексей Старобински и Щайнхард, почти автоматично води до хипотезата, че нашата Вселена е случаен балон в безкрайно море от мултиверс. Веднага след като започне инфлацията, изчисленията показват, че тя ще продължи завинаги и ще спре само на места, в „джобове“, в които вселените като нашата след това ще процъфтяват. Възможността за непрекъснато разрастващ се мултиверс в процеса на инфлацията подсказва, че конкретният ни балон може да остане завинаги неразбираем, тъй като всичко възможно се е случило в мултивселената безкрайно много пъти. Разбира се, това заключение прави експерти. Трудно е да си представим, че нашата Вселена може да бъде само една от многото. Самият Щайнхард нарече тази идея „боклук“.
Това отношение отчасти мотивира него и други изследователи да се справят с борбите. „Няма период на инфлация в модела на възстановяване“, казва Турок. Вместо това те добавиха период на компресия преди Големия взрив, обяснявайки нашата хомогенна вселена. "Точно както газът във вашата стая е напълно хомогенен, защото молекулите на въздуха се сблъскват и смесват, така и Вселената е голяма и бавно се компресира, което дава време да се изглади."
Въпреки че първите модели на свиваща се вселена бяха объркващи и неточни, много учени се убедиха в основната идея: това бавно свиване може да обясни много от характеристиките на нашата разширяваща се вселена. „И тогава отскокът се превърна в тясното място. Хората се съгласиха, че преминаването във фазата на свиване е много интересно, но не и ако не можете да преминете във фазата на разширяване."
Подскачането не е лесно. През 60-те години на миналия век британските физици Роджър Пенроуз и Стивън Хокинг доказват набор от така наречените „теореми за сингулярността“, показващи, че при много общи условия компресирането на материята и енергията неизбежно би довело до неизмеримо плътна точка - сингулярност. Тези теореми трудно могат да се съобразят с идеята как една договаряща се вселена, в която материята, пространството, времето и енергията се търкаля навътре, избягва срива до една особеност - в която класическата теория за гравитацията и пространството-времето на Алберт Айнщайн престава да функционира и в която започват да действат правилата на квантовата гравитация … Защо една свиваща се вселена ще избяга от съдбата на масивна звезда, която умира, свива се до точка и се превръща в черна дупка?
И двата предложени модела на отскок използват пропуски в теоремите за сингулярност - тези, които изглеждат задънена улица в продължение на много години. Отскочилите космолози отдавна са признали, че отскоците биха били възможни, ако Вселената съдържа отрицателна енергийна материя (или други източници на отрицателно налягане), която противодейства на гравитацията и отблъсква всичко. Учените се опитват да използват тази вратичка от началото на 2000-те, но винаги са установили, че добавянето на съставки с отрицателна енергия прави техния модел на Вселената нестабилен, защото квантовите колебания на положителната и отрицателната енергия могат спонтанно да се появят във вакуума на пространството с нулева енергия. През 2016 г. руският космолог Валери Рубаков и неговите колеги дори доказаха теорема, която изключва голям клас механизми за отскок.
Тогава Idjas намери механизъм за възстановяване, който може да заобиколи и това изключение. Ключовата съставка на нейния модел е просто образувание, „скаларно поле“, което на теория би могло да влезе в игра, когато Вселената се свие и енергията стане силно концентрирана. Скаларното поле може да се скрие в гравитационното поле по такъв начин, че да упражнява отрицателен натиск върху Вселената, предотвратявайки компресията и разтягането на пространствено време. Работата на Idjas е „най-добрият опит за ограничаване на всички възможни нестабилности и създаване на наистина стабилен модел с този конкретен вид вещество“, казва Жан-Люк Лайнерс, теоретичен космолог от Института за гравитационна физика „Макс Планк“в Германия, който също е работил върху вариациите на скачането.
Греъм, Каплан и Рахендран представиха своята не-единствена идея за отскок в предпечат на arxiv.org през септември 2017 г. Те започнаха работата си с въпроса дали предишната фаза на свиване в историята на Вселената може да обясни значението на космологичната константа - поразително малко число, което определя количеството тъмна енергия, зашито в тъканта на пространството-времето, енергията, която задвижва ускоряващото се разширяване на Вселената.
Работейки върху най-трудната част - отскока - триото използваше втора, до голяма степен забравена вратичка в теоремите за сингулярност. Те черпиха вдъхновение от странния модел на Вселената, предложен от логика Курт Гьодел през 1949 г., когато той и Айнщайн работиха в Института за усъвършенствани изследвания в Принстън. Гьодел използва законите на общата относителност, за да създаде теория за въртяща се вселена, чието въртене я предпазва от гравитационен срив по същия начин, по който орбитата на Земята не й позволява да пада върху Слънцето. Гьодел специално наблегна на факта, че неговата въртяща се вселена допуска „затворени времеви криви“, тоест всъщност времеви цикли. До смъртта си той вярваше, че Вселената се върти точно така, както предлага неговият модел. Учените днес знаят, че това не е така;в противен случай някои направления и подреждане в космоса биха били за предпочитане пред други. Но Греъм и компания размишляват за малки, завъртащи се пространствени измерения, които биха могли да съществуват в космоса, като допълнителните шест измерения, постулирани от теорията на струните. Може ли свиваща се вселена да се върти в тези посоки?
Представете си, че има само едно от тези усукани допълнителни измерения, мъничък кръг във всяка точка на пространството. Както казва Греъм, „във всяка точка на космоса има допълнителна посока, в която можете да се движите, четвъртото измерение, но можете да вървите само на малко разстояние и да се върнете там, където сте започнали“. Ако има поне три компактни допълнителни измерения, тогава, когато Вселената се свива, материята и енергията могат да започнат да се въртят в тях, а самите измерения ще се въртят с материя и енергия. Завъртането в допълнителни измерения може внезапно да предизвика отскок. „Всички тези неща, които би трябвало да се сринат в една особеност, няма да стигнат до там заради въртене в допълнителни измерения“, казва Греъм. „Цялото това вещество трябваше да се разпадне в един момент,но вместо това ще отлети."
Работата на учените привлече вниманието на хора извън обичайния кръг от отскочили космолози. Шон Карол, теоретичен физик от Калифорнийския технологичен институт, е скептичен към нея, но нарича самата идея „много умна“. Той смята, че е важно да се разработят алтернативи на традиционната история на инфлацията, за да се разбере колко по-добре ще се сравни теорията за инфлацията - особено когато стартират телескопи от ново поколение. Той също така смята, че ако алтернативната теория има дори 5% шанс за успех, си струва да се тества. И тази работа не е изключение.
Иля Кел