Teoretiske fysikere og kosmologer er nødt til at se efter svar på de mest grundlæggende spørgsmål: "Hvorfor er vi her?", "Hvornår dukkede universet op?" og "Hvordan skete dette?" På trods af den åbenlyse vigtighed af at finde svar på disse spørgsmål er der et spørgsmål, der overskygger dem alle med sin interesse: "Hvad skete der før Big Bang?"
Lad os være ærlige: vi kan ikke besvare dette spørgsmål. Ingen kan. Men trods alt forbyder ingen at spekulere i dette emne og overveje flere interessante antagelser? Sean Carroll fra California Institute of Technology er for eksempel enig i dette. Sidste måned deltog Carroll i et halvårligt møde i American Astronomical Society, hvor han foreslog flere "præeksplosive" scenarier, hvis "sidste akkord" kunne være fremkomsten af vores univers. Igen er dette bare spekulation, ikke teori, så husk dette.
"På det tidspunkt så at sige de fysiske love, som vi kender, endnu ikke var i kraft, for" da "eksisterede de endnu ikke," siger Carroll.
”Når fysikere siger, at de ikke har nogen idé om, hvad der skete dengang, siger de det i al alvor. Dette segment af historie er i absolut uigennemtrængeligt mørke,”er Peter Voight, teoretisk fysiker ved Columbia University, enig.
En af de mest underlige egenskaber i vores univers er, at det har et meget lavt niveau af entropi. Dette udtryk har mange fortolkninger, men i dette tilfælde taler vi om graden af uorden. Og i tilfældet med universet er der mere orden i det end uorden. Forestil dig en bombe fyldt med sand. Bomben eksploderer, og milliarder af milliarder af sandkorn indeholdt i den spredes i forskellige retninger - faktisk er der en model for Big Bang foran dig.
"Men i stedet for den forventede kaotiske spredning, bliver disse sandkorn, der repræsenterer sagen om vores univers, straks forvandlet til mange færdige" sandslotte ", der dannes uklart hvordan og uden hjælp udefra," - siger Stephen Countryman, en kandidatstuderende ved Columbia University.
Resultatet af Big Bang kunne (og måske burde) have været fremkomsten af et højt niveau af masseentropi i form af ujævnt fordelt stof. I stedet ser vi dog stjernesystemer, galakser og hele galaksehobe sammenkoblet. Vi ser orden.
Derudover er det vigtigt at forstå, at entropi eller uorden kun kan øges over tid - det samme sandslot vil før eller senere og uden ekstern hjælp igen gå i opløsning i mange sandkorn. Desuden, som Carroll påpeger, er vores observation af tid direkte relateret til niveauet af entropi siden universets begyndelse. Samtidig kan entropien i sig selv betragtes som en slags tidsafhængig fysisk egenskab med kun en bevægelsesretning - til fremtiden.
Salgsfremmende video:
Så entropi kan ifølge fysikens love kun øges, men dets nuværende niveau i universet er meget lavt. Ifølge Carroll kan dette kun betyde en ting: det tidlige univers havde et endnu lavere niveau af det, dvs. universet burde have været endnu mere organiseret og ordnet. Og dette kan igen give anledning til ideen om, hvad der skete med vores univers faktisk før selve Big Bang.
”Der er mange mennesker, der tror, at det tidlige univers var et meget simpelt, uinteressant og udtryksløst system. Så snart du forbinder entropi til dette spørgsmål, ændres perspektivet straks, og du indser, at der i dette tilfælde er ting, der skal forklares,”fortsætter Carroll.
Selvom vi lader entropi være til side, så vil vi have andre lige så vigtige aspekter, der på en eller anden måde skal tilpasses vores nuværende univers, hvor vi lever. Desuden synes lave entropiniveauer i nogle tilfælde mindre signifikante end i andre. Derfor vil vi forsøge at overveje de tre mest populære antagelser om, hvad der kunne være sket med universet før Big Bang.
Den store rebound-model
Ifølge en af hypoteserne skyldes det lave niveau af entropi i vores univers det faktum, at dets udseende i sig selv var resultatet af opløsning af et eller andet "tidligere" univers. Denne hypotese siger, at vores univers kunne have dannet sig som et resultat af en hurtig kompression ("bounce") drevet af komplekse effekter af kvantegravitation (singularitet), hvilket igen gav anledning til Big Bang. Til gengæld kan dette indikere, at vi kan leve med lige stor succes både på ethvert tidspunkt i den uendelige rækkefølge af nye universer og omvendt i "den første iteration" af universet.
Denne hypotetiske model for universets fremkomst kaldes undertiden "Big Bounce" -modellen. Den første omtale af dette udtryk lyder tilbage i 60'erne, men denne model blev kun en mere eller mindre dannet hypotese i 80'erne - begyndelsen af 90'erne.
Blandt de mindre betydningsfulde kontroversielle punkter har Big Bounce-modellen også klare mangler. For eksempel modsætter ideen om sammenbrud i en singularitet Einsteins generelle relativitetsteori - de regler, hvorved tyngdekraften fungerer. Fysikere mener, at singularitetseffekten kan eksistere inde i sorte huller, men de fysiske love, vi kender, kan ikke give os en mekanisme til at forklare, hvorfor "et andet univers", når vi har nået singulariteten, skulle give anledning til Big Bang.
"Der er intet i generel relativitet, der indikerer en" bounce "af det nye univers som et resultat af singulariteten," siger Sean Carroll.
Dette er dog ikke det eneste store kontroversielle punkt. Faktum er, at Big Bounce-modellen indebærer tilstedeværelsen af et retlinjet tidsforløb med faldende entropi, men som nævnt ovenfor øges entropien kun med tiden. Med andre ord, ifølge de fysiske love, vi kender, er udseendet af et hoppende univers umuligt.
Yderligere udvikling af modellen førte til fremkomsten af en hypotese om, at tid i universet kan være cyklisk. Men på samme tid er modellen stadig ikke i stand til at forklare, hvordan den nuværende udvidelse af universet vil blive erstattet af dets sammentrækning. Alligevel betyder det ikke nødvendigvis, at Big Bounce-mønsteret er helt forkert. Det er muligt, at vores nuværende teorier om det simpelthen er ufuldkomne og ikke fuldt ud gennemtænkte. De fysiske love, som vi nu har, blev trods alt afledt af den grænse, ifølge hvilken vi er i stand til at observere universet.
Den sovende universmodel
”Måske før Big Bang var universet et meget kompakt, langsomt udviklende statisk rum,” teoretiserer fysikere som Kurt Hinterbichler, Austin Joyce og Justin Khoury.
Dette "præeksplosive" univers måtte have en metastabil tilstand, dvs. være stabil, indtil en endnu mere stabil tilstand dukkede op. Ved analogi forestil dig en klippe, på hvis kant en sten er i en vibrationstilstand. Enhver kontakt med kampestenen vil føre til, at den falder i afgrunden, eller - hvilket er tættere på vores sag - Big Bang vil forekomme. Ifølge nogle teorier kunne det "præeksplosive" univers eksistere i en anden form, for eksempel i form af et fladt og meget tæt rum. Som et resultat sluttede denne metastabile periode: den udvidede dramatisk og fik form og tilstand af det, vi ser nu.
”Den sovende universmodel har imidlertid også sine problemer,” siger Carroll.
"Det antages også, at vores univers har et lavt niveau af entropi og ikke forklarer, hvorfor det er sådan."
Imidlertid ser Hinterbichler, en teoretisk fysiker ved Case Western Reserve University, ikke fremkomsten af lav entropi som et problem.
”Vi leder bare efter en forklaring på den dynamik, der fandt sted før Big Bang, hvilket forklarer, hvorfor vi ser, hvad vi ser nu. Indtil videre er dette kun det eneste, der er tilbage for os,”siger Hinterbichler.
Carroll mener imidlertid, at der er en anden teori om et "præeksplosivt" univers, der kan forklare det lave niveau af entropi, der findes i vores univers.
Multiverse-modellen
Fremkomsten af nye universer fra "moderuniverset"
Den hypotetiske multiversmodel undgår den entropi-faldende tilbageholdenhed af Big Bounce-modellen og giver en forklaring på dens lave niveau i dag, siger Carroll. Den stammer fra ideen om "inflation" - en vel accepteret, men ufuldstændig model af universet. Udtrykket "inflation" og den første forklaring på denne model blev foreslået i 1981 af fysikeren Alan Guth, der i øjeblikket er ved Massachusetts Institute of Technology. Ifølge denne model er rummet efter Big Bang udvidet dramatisk. Så dramatisk, at denne ekspansions hastighed var højere end lysets hastighed. Ifølge kvantemekanik opstår der tilfældige, subtile udsving i energi konstant i rummet. På et tidspunkt i inflationsperioden nåede toppene af disse udsving deres maksimale niveau og forårsagede udseendet af galakser,hulrum og store lav-entropi strukturer, som vi observerer i universet i dag.
Selve inflationsmodellen blev udviklet på baggrund af observationer af kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling - den ældste type stråling, der kun dukkede op et par hundrede tusind år efter Big Bang. Forskere mener, at inflationsmodellen forudsiger dens eksistens perfekt.
En hypotese er, at multiverset kan være et resultat af inflation. Antagelsen siger, at der er et meget, meget stort univers, der fra tid til anden giver anledning til mere kompakte universer. Desuden er ingen form for kommunikation mellem disse universer mulige. PBS Nova's Markus Wu forklarer:
”I de tidlige 80'ere kom fysikere til den konklusion, at inflation kan have uendelighedens natur og kun stoppe i nogle områder af rummet og skabe en slags lukkede" lommer ". Imidlertid fortsætter inflationen mellem disse "lommer", og den flyder hurtigere end lysets hastighed. Til gengæld bliver isolerede fra hinanden "lommer" til sidst universer."
Carroll er mest imponeret over denne model, skønt hans egen foreslåede model er noget forskellig fra det, der er beskrevet ovenfor:
”Dette er kun en version af multiverse teorien, men den største forskel her er, at 'moderuniverset' kan have et højt niveau af entropi og gyder universer med et lavt niveau af entropi, siger Carroll.
Ifølge denne model var der før Big Bang en slags stort ekspanderende rum, hvorfra vores og et uendeligt antal andre universer blev født. Andre universer ligger uden for vores evne til at opdage dem og kunne have dannet sig både før og efter vores univers.
Det skal bemærkes, at dette i øjeblikket er en af de mest populære modeller. Ikke desto mindre opfatter forskere det naturligvis anderledes. Nogle støtter denne idé, andre er tværtimod helt uenige med den. Men hvis vi tager Peter Voight fra Columbia University som et eksempel, kan teorien om Multiverse, selvom den ser meget attraktiv ud fra et populærvidenskabeligt synspunkt, gøre fysikere dovne og få dem til at stoppe med at lede efter svar på de mest basale spørgsmål, for eksempel, hvorfor er fysiske konstanter i vores univers? nøjagtigt som de er - afskriver al variation.
"Teoretikere spekulerer i muligheden for et uendeligt antal universer, og til sidst kan vi komme med klare modeller, der kan forklare, hvorfor værdier (som de grundlæggende egenskaber for de partikler, vi observerer) kan adskille sig fra hinanden i hvert enkelt univers," siger Voight …
Voight frygter, at en dag vil hovedspørgsmålet for videnskab på dette område være ræsonnementet om emnet”hvor heldige vi er i dette tilfældige univers, hvor alt sker på denne måde og ikke på en anden måde, på trods af det uendelige udvalg af muligheder, så lad os opgive denne satsning med teorier.
Hvad kan opsummeres? Mange fysikere får betalt for at argumentere og skrive bøger, hvor de forsøger at beskrive, hvordan Big Bang og modellen for det "præeksplosive" univers kan forklare, hvad vi ser i dag, selvom de selv ikke ved og virkelig ikke kan vide. hvorfor er det sådan? Faktum er, at selvom der er alvorlige forenklinger i både matematiske modeller og forklaringer, er vi ikke kommet tæt på det rigtige svar, og vi har stadig en masse ræsonnementer om dette emne, indtil vi kommer til det ønskede resultat.
”Det er vigtigt ikke kun at fremsætte teorier og hypoteser. Det er meget vigtigere at gøre det klart for folk, at vi faktisk ikke selv forstår, hvad vi taler om. Alt dette er kun på antagelsesniveauet, men jeg håber, at vi før eller senere vil være i stand til at finde det rigtige svar, der passer til alle,”siger Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK