Universumi tsükliline mudel: aine degeneratsioon toimub lõputult

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

2000. aastate alguses pakkusid kaks Princetoni ülikooli füüsikut välja kosmoloogilise mudeli, mille kohaselt Suur Pauk pole ainulaadne sündmus, vaid aegruum eksisteeris ammu enne universumi sündi.

Tsüklilises mudelis läbib universum lõpmatu isemajandava tsükli. 1930. aastatel esitas Albert Einstein idee, et universum võib kogeda lõputut suurte paukude ja suurte kokkusurumiste tsüklit. Meie universumi paisumine võib olla eelneva universumi kokkuvarisemise tagajärg. Selle mudeli raames võime öelda, et Universum sündis uuesti oma eelkäija surmast. Kui jah, siis ei olnud Suur Pauk midagi ainulaadset, see on vaid üks väike plahvatus lõpmatu hulga teiste seas. Tsükliteooria ei pruugi asendada Suure Paugu teooriat, pigem püüab see vastata teistele küsimustele: näiteks, mis juhtus enne Suurt Pauku ja miks tõi Suur Pauk kaasa kiire laienemise perioodi?

Ühe universumi uue tsüklilise mudeli pakkusid välja Paul Steinhardt ja Neil Turok 2001. aastal. Steinhardt kirjeldas seda mudelit oma artiklis, mida nimetati Universumite tsükliliseks mudeliks. Stringiteoorias on membraan ehk "braan" objekt, mis eksisteerib mitmes mõõtmes. Steinhardti ja Turoki sõnul vastavad kolm ruumilist mõõdet, mida me näeme, nendele braanidele. Kaks 3D-braani võivad eksisteerida paralleelselt, eraldatuna täiendava peidetud mõõtmega. Need braanid – neid võib pidada metallplaatideks – võivad liikuda mööda seda lisadimensiooni ja põrkuda üksteisega, luues Suure Paugu ja seega ka universumid (nagu meie oma). Nende põrkumisel kulgevad sündmused tavalise Suure Paugu mudeli järgi: tekib kuum aine ja kiirgus, toimub kiire inflatsioon ja seejärel kõik jahtub – ning tekivad sellised struktuurid nagu galaktikad, tähed ja planeedid. Steinhardt ja Turok väidavad aga, et nende braanide vahel, mida nad nimetavad interbraanide vahel, on alati mingi vastasmõju: see tõmbab need kokku, põhjustades nende uuesti kokkupõrke ja tekitades järgmise Suure Paugu.

Steinhardti ja Turoki mudel seab siiski kahtluse alla mõned Suure Paugu mudeli eeldused. Näiteks ei olnud Suur Pauk nende sõnul ruumi ja aja algus, vaid pigem üleminek evolutsiooni varasemast faasist. Kui rääkida Suure Paugu mudelist, siis see ütleb, et see sündmus tähistas ruumi ja aja kui sellise vahetut algust. Lisaks peab selles põrkuvate braanide tsüklis Universumi mastaapse struktuuri määrama kokkusurumisfaas: see tähendab, et see juhtub enne nende kokkupõrget ja järgmise Suure Paugu toimumist. Suure Paugu teooria kohaselt määrab universumi mastaapse struktuuri kiire paisumise (inflatsiooni) periood, mis leidis aset vahetult pärast plahvatust. Pealegi ei ennusta Suure Paugu mudel, kui kaua universum eksisteerib, ja Steinhardti mudelis on iga tsükli kestus umbes triljon aastat.

Universumi tsüklilise mudeli hea asi on see, et erinevalt Suure Paugu mudelist suudab see seletada nn kosmoloogilist konstanti. Selle konstandi suurus on otseselt seotud Universumi kiirenenud paisumisega: see seletab, miks ruum nii kiiresti paisub. Vaatluste kohaselt on kosmoloogilise konstandi väärtus väga väike. Kuni viimase ajani arvati, et selle väärtus on 120 suurusjärku väiksem kui standardne Suure Paugu teooria ennustas. See erinevus vaatluse ja teooria vahel on pikka aega olnud kaasaegse kosmoloogia üks suurimaid probleeme. Küll aga saadi mitte nii kaua aega tagasi Universumi paisumise kohta uusi andmeid, mille kohaselt see paisub seniarvatust kiiremini. Jääb üle oodata uusi tähelepanekuid ja kinnitust (või ümberlükkamist) juba saadud andmetele.

1979. aasta Nobeli preemia laureaat Steven Weinberg püüab nn antroopse printsiibi abil selgitada erinevust mudeli vaatlemise ja ennustamise vahel. Tema sõnul on kosmoloogilise konstandi väärtus juhuslik ja erineb Universumi erinevates osades. Me ei tohiks olla üllatunud, et elame nii haruldases piirkonnas, kus me jälgime selle konstandi väikest väärtust, sest ainult selle väärtusega saavad areneda tähed, planeedid ja elu. Mõned füüsikud ei ole aga selle seletusega rahul, kuna puuduvad tõendid selle kohta, et see väärtus on vaadeldava universumi teistes piirkondades erinev.

Sarnase mudeli töötas välja Ameerika füüsik Larry Abbott 1980. aastatel. Kuid tema mudelis oli kosmoloogilise konstandi vähenemine madalatele väärtustele nii pikk, et kogu universumi aine sellise perioodi jooksul hajus ruumis, jättes selle tegelikult tühjaks. Steinhardti ja Turoki Universumi tsüklilise mudeli järgi on põhjus, miks kosmoloogilise konstandi väärtus on nii väike, et see oli alguses väga suur, kuid aja jooksul iga uue tsükliga see vähenes. Teisisõnu, iga suure plahvatusega "nullitakse" aine ja kiirguse hulk Universumis, kuid mitte kosmoloogiline konstant. Paljude tsüklite jooksul on selle väärtus langenud ja täna jälgime täpselt seda väärtust (5, 98 x 10-10 J / m3).

Neil Turok rääkis ühes intervjuus enda ja Steinhardti tsüklilise universumi mudelist järgmiselt:

Oleme pakkunud välja mehhanismi, milles superstringiteooria ja M-teooria (meie parimad kvantgravitatsiooni teooriad) võimaldavad universumil läbida Suure Paugu. Kuid selleks, et mõista, kas meie eeldus on täielikult kooskõlas, on vaja täiendavat teoreetilist tööd.

Teadlased loodavad, et tehnoloogia arenedes avaneb võimalus seda teooriat koos teistega testida. Seega järgnes standardse kosmoloogilise mudeli (ΛCDM) kohaselt inflatsioonina tuntud periood vahetult pärast Suurt Pauku, mis täitis universumi gravitatsioonilainetega. 2015. aastal registreeriti gravitatsioonilaine signaal, mille kuju langes kokku üldrelatiivsusteooria ennustusega kahe musta augu ühinemiseks (GW150914). 2017. aastal pälvisid füüsikud Kip Thorne, Rainer Weiss ja Barry Barish selle avastuse eest Nobeli preemia. Seejärel registreeriti ka gravitatsioonilained, mis lähtusid kahe neutrontähe (GW170817) ühinemisest. Kosmilisest inflatsioonist tulenevaid gravitatsioonilaineid pole aga veel registreeritud. Veelgi enam, Steinhardt ja Turok märgivad, et kui nende mudel on õige, on sellised gravitatsioonilained liiga väikesed, et neid "avastada".