Co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem?

Na początku była nieskończenie gęsta, maleńka kula materii. Potem wszystko wybuchło, dając początek atomom, cząsteczkom, gwiazdom i galaktykom, które widzimy dzisiaj.

A przynajmniej tak nam mówią fizycy od kilkudziesięciu lat. 

Jednak nowe badania z zakresu fizyki teoretycznej ujawniły ostatnio możliwe okno na bardzo wczesny wszechświat, pokazując, że mimo wszystko może nie być „bardzo wczesny”. Zamiast tego może to być po prostu ostatnia iteracja cyklu huk-bounce, który trwa od… cóż, przynajmniej raz, a prawdopodobnie od zawsze. 

Oczywiście, zanim fizycy zdecydują się odrzucić Wielki Wybuch na rzecz cyklu odbijania, te teoretyczne przewidywania będą musiały przetrwać atak testów obserwacyjnych.

Odbijające kosmologie

Naukowcy mają naprawdę dobry obraz bardzo wczesnego Wszechświata, coś, co znamy i kochamy jako teorię Wielkiego Wybuchu. W tym modelu dawno temu wszechświat był znacznie mniejszy, gorętszy i gęstszy niż obecnie. Podczas tego wczesnego piekła 13,8 miliarda lat temu wszystkie elementy, które czynią nas tym, czym jesteśmy, powstały w ciągu kilkunastu minut.

Nawet wcześniej, to myślenie zakłada, że ​​w pewnym momencie cały nasz wszechświat - wszystkie gwiazdy, wszystkie galaktyki, wszystko to - był wielkości brzoskwini i miał temperaturę ponad biliarda stopni.

O dziwo, ta fantastyczna historia spełnia wszystkie obecne obserwacje. Astronomowie zrobili wszystko, od obserwacji pozostałego promieniowania elektromagnetycznego z młodego wszechświata do pomiaru obfitości najlżejszych pierwiastków i odkryli, że wszystkie one pokrywają się z tym, co przewiduje Wielki Wybuch. O ile nam wiadomo, jest to dokładny portret naszego wczesnego wszechświata.

Ale choć jest dobre, wiemy, że obraz Wielkiego Wybuchu nie jest kompletny - brakuje elementu układanki, a ten element to najwcześniejsze momenty samego wszechświata.

To całkiem duży kawałek.

Związane z: Od Wielkiego Wybuchu do współczesności: Migawki naszego wszechświata w czasie

Pożar

Problem polega na tym, że fizyka, której używamy do zrozumienia wczesnego Wszechświata (cudownie skomplikowana mieszanka ogólnej teorii względności i fizyki cząstek wysokoenergetycznych) może doprowadzić nas tylko tak daleko, zanim się załamie. Kiedy staramy się zagłębiać coraz głębiej w pierwsze chwile naszego kosmosu, matematyka staje się coraz trudniejsza do rozwiązania, aż do punktu, w którym po prostu… kończy się.

Głównym znakiem, że mamy jeszcze teren do zbadania, jest obecność „osobliwości” lub punktu o nieskończonej gęstości na początku Wielkiego Wybuchu. Biorąc pod uwagę wartość nominalną, mówi nam to, że w pewnym momencie wszechświat był wciśnięty w nieskończenie mały, nieskończenie gęsty punkt. Jest to oczywiście absurdalne i naprawdę mówi nam, że potrzebujemy nowej fizyki, aby rozwiązać ten problem - nasz obecny zestaw narzędzi po prostu nie jest wystarczająco dobry.

Związane z: 8 sposobów, w jakie możesz zobaczyć teorię względności Einsteina w prawdziwym życiu

Aby uratować sytuację, potrzebujemy nowej fizyki, czegoś, co jest w stanie poradzić sobie z grawitacją i innymi siłami, połączonymi przy ultrawysokich energiach. I to jest dokładnie to, co twierdzi teoria strun: model fizyki, który jest w stanie obsłużyć razem grawitację i inne siły przy bardzo wysokich energiach. Co oznacza, że ​​teoria strun twierdzi, że może wyjaśnić najwcześniejsze chwile wszechświata.

Jednym z najwcześniejszych pojęć teorii strun jest „ekpyrotyczny” wszechświat, który pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „pożar”, czyli ogień. W tym scenariuszu to, co znamy jako Wielki Wybuch, zostało wywołane przez coś innego, co wydarzyło się przed nim - Wielki Wybuch nie był początkiem, ale częścią większego procesu.

Poszerzenie koncepcji ekpyrotycznej doprowadziło do powstania teorii, ponownie motywowanej teorią strun, zwanej kosmologią cykliczną. Przypuszczam, że technicznie rzecz biorąc, idea wszechświata nieustannie się powtarzającego ma tysiące lat i jest starsza niż fizyka, ale teoria strun dała jej solidne podstawy matematyczne. Cykliczny wszechświat działa dokładnie tak, jak można sobie wyobrazić, nieustannie odbijając się między wielkimi wybuchami a wielkimi brzuszkami, potencjalnie na wieczność w czasie i na wieczność w przyszłość.

Przed rozpoczęciem

Choć brzmi to fajnie, wczesne wersje modelu cyklicznego miały trudności z dopasowaniem obserwacji - co jest poważną sprawą, gdy próbujesz zajmować się nauką, a nie tylko opowiadać historie przy ognisku. 

Główną przeszkodą było zgodzenie się z naszymi obserwacjami kosmicznego mikrofalowego tła, skamieniałego światła pozostałego po tym, jak Wszechświat miał zaledwie 380 000 lat. Chociaż nie możemy widzieć bezpośrednio za tą ścianą światła, jeśli zaczniesz teoretycznie majstrować przy fizyce niemowlęcego kosmosu, wpłyniesz na wzór poświaty.

Wydawało się więc, że cykliczny wszechświat to zgrabny, ale niepoprawny pomysł.

Ale pochodnia ekpyrotyczna była zapalana przez lata, a artykuł opublikowany w styczniu w bazie danych arXiv zbadał zmarszczki matematyki i odkrył niektóre wcześniej niewykorzystane możliwości. Fizycy Robert Brandenberger i Ziwei Wang z McGill University w Kanadzie odkryli, że w momencie „odbicia”, kiedy nasz wszechświat kurczy się do niewiarygodnie małego punktu i powraca do stanu Wielkiego Wybuchu, możliwe jest ustawienie wszystkiego tak, aby uzyskać prawidłowy wynik przetestowany obserwacyjnie.

Innymi słowy, skomplikowana (i, co prawda, słabo zrozumiana) fizyka tej krytycznej epoki może rzeczywiście pozwolić na radykalnie zrewidowane spojrzenie na nasz czas i miejsce w kosmosie.

Ale żeby w pełni przetestować ten model, będziemy musieli poczekać na nową generację eksperymentów kosmologicznych, więc poczekajmy, aby wyrzucić ekpyrotyczny szampan.

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SŁOŃCE Stony Brook and the Flatiron Institute, gospodarz Zapytaj kosmonautę i Space Radio, i autor Twoje miejsce we Wszechświecie.

• Największe nierozwiązane zagadki fizyki
• 12 najdziwniejszych obiektów we wszechświecie
• Big Bang to Civilization: 10 niesamowitych wydarzeń pochodzenia

Pierwotnie opublikowano w dniu .

OFERTA: Zaoszczędź 45% na „Jak to działa” „Wszystko o kosmosie” i „Wszystko o historii”!

Przez ograniczony czas możesz wykupić cyfrową subskrypcję dowolnego z naszych najlepiej sprzedających się czasopism naukowych za jedyne 2,38 USD miesięcznie lub 45% zniżki od ceny standardowej przez pierwsze trzy miesiące. Zobacz ofertę