Universumin syklinen malli: aineen rappeutuminen tapahtuu loputtomasti

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Kaksi Princetonin yliopiston fyysikkoa ehdotti 2000-luvun alussa kosmologista mallia, jonka mukaan alkuräjähdys ei ole ainutlaatuinen tapahtuma, vaan aika-avaruus oli olemassa kauan ennen maailmankaikkeuden syntyä.

Suhdannemallissa universumi käy läpi loputtoman itseään ylläpitävän syklin. Albert Einstein esitti 1930-luvulla ajatuksen, että maailmankaikkeus voi kokea loputtoman ison pamauksen ja suurten puristusten syklin. Universumimme laajeneminen voi olla seurausta edeltävän maailmankaikkeuden romahtamisesta. Tämän mallin puitteissa voimme sanoa, että maailmankaikkeus syntyi uudelleen edeltäjänsä kuolemasta. Jos näin on, niin alkuräjähdys ei ollut jotain ainutlaatuista, se on vain yksi pieni räjähdys lukemattomien muiden joukossa. Syklinen teoria ei välttämättä korvaa alkuräjähdyksen teoriaa, vaan se yrittää vastata muihin kysymyksiin: esimerkiksi mitä tapahtui ennen alkuräjähdystä ja miksi alkuräjähdys johti nopeaan laajentumiseen?

Paul Steinhardt ja Neil Turok ehdottivat yhtä maailmankaikkeuden uusista syklisistä malleista vuonna 2001. Steinhardt kuvaili tätä mallia artikkelissaan, jota kutsuttiin universumien sykliseksi malliksi. Merkkijonoteoriassa kalvo tai "braani" on esine, joka on olemassa useissa ulottuvuuksissa. Steinhardtin ja Turokin mukaan kolme näkemäämme spatiaalista ulottuvuutta vastaavat näitä braneja. Kaksi 3D-braania voi esiintyä rinnakkain, ja ne erotetaan ylimääräisellä, piilotetulla ulottuvuudella. Nämä braanit - niitä voidaan pitää metallilevyinä - voivat liikkua tätä ylimääräistä ulottuvuutta pitkin ja törmätä toisiinsa luoden alkuräjähdyksen ja siten maailmankaikkeuksia (kuten meidän). Kun ne törmäävät, tapahtumat kehittyvät tavallisen Big Bang -mallin mukaisesti: syntyy kuumaa ainetta ja säteilyä, tapahtuu nopea inflaatio ja sitten kaikki jäähtyy - ja muodostuu sellaisia rakenteita kuin galakseja, tähtiä ja planeettoja. Steinhardt ja Turok väittävät kuitenkin, että näiden braenien välillä on aina jonkinlainen vuorovaikutus, joita he kutsuvat inter-braneiksi: se vetää ne yhteen, jolloin ne törmäävät uudelleen ja aiheuttavat seuraavan alkuräjähdyksen.

Steinhardtin ja Turokin malli kuitenkin kyseenalaistaa joitain Big Bang -mallin oletuksia. Esimerkiksi heidän mukaansa alkuräjähdys ei ollut tilan ja ajan alku, vaan siirtymä aikaisemmasta evoluution vaiheesta. Jos puhumme Big Bang -mallista, niin se sanoo, että tämä tapahtuma merkitsi tilan ja ajan välitöntä alkua sellaisenaan. Lisäksi tässä törmäysbraanien syklissä maailmankaikkeuden laajamittainen rakenne on määritettävä puristusvaiheen mukaan: toisin sanoen tämä tapahtuu ennen kuin ne törmäävät ja seuraava alkuräjähdys tapahtuu. Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeuden laajamittaisen rakenteen määrää nopea laajenemisjakso (inflaatio), joka tapahtui pian räjähdyksen jälkeen. Alkuräjähdysmalli ei myöskään ennusta, kuinka kauan maailmankaikkeus on olemassa, ja Steinhardtin mallissa kunkin syklin kesto on noin biljoona vuotta.

Hyvä puoli Universumin syklisessä mallissa on se, että toisin kuin alkuräjähdyksen malli, se voi selittää niin sanotun kosmologisen vakion. Tämän vakion suuruus liittyy suoraan maailmankaikkeuden kiihtyneeseen laajenemiseen: se selittää, miksi avaruus laajenee niin nopeasti. Havaintojen mukaan kosmologisen vakion arvo on hyvin pieni. Viime aikoihin asti uskottiin, että sen arvo on 120 suuruusluokkaa pienempi kuin standardi Big Bang -teoria ennusti. Tämä ero havainnoinnin ja teorian välillä on pitkään ollut yksi suurimmista ongelmista modernissa kosmologiassa. Ei kuitenkaan niin kauan sitten universumin laajenemisesta saatiin uutta tietoa, jonka mukaan se laajenee aiemmin luultua nopeammin. Jää odottaa uusia havaintoja ja vahvistusta (tai kumoamista) jo saatuihin tietoihin.

Steven Weinberg, vuoden 1979 Nobel-palkittu, yrittää selittää eroa mallin havainnoinnin ja ennustamisen välillä käyttämällä niin sanottua antrooppista periaatetta. Hänen mukaansa kosmologisen vakion arvo on satunnainen ja vaihtelee universumin eri osissa. Meidän ei pitäisi olla yllättyneitä siitä, että elämme niin harvinaisella alueella, jossa havaitsemme tämän vakion pienen arvon, koska vain tällä arvolla voivat kehittyä tähdet, planeetat ja elämä. Jotkut fyysikot eivät kuitenkaan ole tyytyväisiä tähän selitykseen, koska ei ole todisteita siitä, että tämä arvo olisi erilainen muilla havaittavan universumin alueilla.

Amerikkalainen fyysikko Larry Abbott kehitti samanlaisen mallin 1980-luvulla. Hänen mallissaan kosmologisen vakion lasku alhaisiin arvoihin oli kuitenkin niin pitkä, että kaikki universumin aine tällaisen ajanjakson aikana hajoaisi avaruudessa jättäen sen itse asiassa tyhjäksi. Steinhardtin ja Turokin syklisen maailmankaikkeuden mallin mukaan kosmologisen vakion arvon niin pieni syy on se, että se oli aluksi hyvin suuri, mutta ajan myötä jokaisen uuden syklin myötä se pieneni. Toisin sanoen jokaisessa suuressa räjähdyksessä aineen ja säteilyn määrä maailmankaikkeudessa "nollataan", mutta ei kosmologista vakiota. Monien syklien aikana sen arvo on laskenut, ja nykyään havaitsemme juuri tämän arvon (5, 98 x 10-10 J / m3).

Haastattelussa Neil Turok puhui hänen ja Steinhardtin mallista syklisestä universumista seuraavasti:

"Olemme ehdottaneet mekanismia, jossa supermerkkijonoteoria ja M-teoria (parhaat yhdistelmäteoriamme kvanttipainovoimasta) sallivat universumin käydä läpi alkuräjähdyksen. Mutta sen ymmärtämiseksi, onko oletuksemme täysin johdonmukainen, tarvitaan lisää teoreettista työtä."

Tiedemiehet toivovat, että tekniikan kehittyessä on mahdollisuus testata tätä teoriaa yhdessä muiden kanssa. Joten standardin kosmologisen mallin (ΛCDM) mukaan inflaatioksi kutsuttu ajanjakso seurasi pian alkuräjähdyksen jälkeen, joka täytti maailmankaikkeuden gravitaatioaaloilla. Vuonna 2015 tallennettiin gravitaatioaaltosignaali, jonka muoto osui yhteen yleisen suhteellisuusteorian ennusteen kanssa kahden mustan aukon (GW150914) sulautumisesta. Vuonna 2017 fyysikot Kip Thorne, Rainer Weiss ja Barry Barish saivat Nobel-palkinnon tästä löydöstä. Myös myöhemmin rekisteröitiin gravitaatioaaltoja, jotka olivat peräisin kahden neutronitähden (GW170817) yhdistymisestä. Kosmisen inflaation aiheuttamia gravitaatioaaltoja ei kuitenkaan ole vielä kirjattu. Lisäksi Steinhardt ja Turok huomauttavat, että jos heidän mallinsa on oikea, niin tällaiset gravitaatioaallot ovat liian pieniä "havaittaviksi".