Czy kiedykolwiek dowiemy się jak dokładnie powstał wszechświat?

Fizycy od dawna nie są w stanie rozwikłać tajemnicy tego, co wydarzyło się w momencie, gdy małe nasionko rozrosło się i stworzyło wszechświata. Jeden naukowiec uważa, że ​​wie, dlaczego naukowcy nie mogą wymyślić fizycznego opisu tego zjawiska zwanego inflacją: Wszechświat nam na to nie pozwala.

Naukowiec opisał swoje przypuszczenia, stwierdzając że w odniesieniu do młodego wszechświata „obserwator powinien być chroniony” przed bezpośrednim obserwowaniem najmniejszych struktur w kosmosie.

Innymi słowy, fizycy z definicji mogą nigdy nie być w stanie zbudować modelu inflacji przy użyciu zwykłych narzędzi i będą musieli znaleźć lepszy sposób.

Ale dlaczego nie? Ta nowa hipoteza, będąca opinią lub myślą opartą na niekompletnych informacjach, wskazując na szczególną cechę modeli inflacji. Modele te uznają bardzo, bardzo małe fluktuacje w czasoprzestrzeni ale nie mamy pełnej fizycznej teorii tych małych fluktuacji, więc modele inflacji, które mają tę cechę (czyli prawie wszystkie z nich), nigdy nie zadziałają.

Nadmuchaj

Obserwacje wielkoskalowej struktury Wszechświata i pozostałości światła po Wielkim Wybuchu ujawniły, że w bardzo wczesnym wszechświecie nasz kosmos prawdopodobnie doświadczył okresu niewiarygodnie szybkiej ekspansji. To niezwykłe wydarzenie, znane jako inflacja, sprawiło, że wszechświat stał się biliony razy większy w ułamku sekundy.

Rosnąca inflacja spowodowała, że ​​nasz kosmos stał się nieco wyboisty. W miarę rozwoju inflacji najmniejsze przypadkowe fluktuacje kwantowe – fluktuacje wbudowane w samą strukturę czasoprzestrzeni – stawały się dużo, dużo większe, co oznacza, że ​​niektóre regiony były gęsto upakowane materią a inne nie. W końcu te sub-mikroskopowe różnice urosły do ​​rozmiarów makroskopowych… a nawet większych, w niektórych przypadkach rozciągających się od jednego końca wszechświata do drugiego. Miliony i miliardy lat później te drobne różnice w gęstości stały się nasionami gwiazd, galaktyk i największych struktur w kosmosie.

Astronomowie podejrzewają, że coś podobnego do tej historii o inflacji wydarzyło się we wczesnych momentach wszechświata, kiedy wszechświat miał mniej niż sekundę; mimo to nie wiedzą, co wywołało inflację, co ją napędzało, jak długo trwała lub co ją wyłączyło. Innymi słowy, fizykom brakuje pełnego fizycznego opisu tego doniosłego wydarzenia.

Dodatkową tajemnic jest to, że w większości modeli inflacji fluktuacje w niezwykle małych skalach są zawyżane, by stać się różnicami makroskopowymi. Jak malutkich skalach? Mniejsza niż długość Plancka, czyli w przybliżeniu 1,6 x 10 ^ minus 35 metrów (liczba 16 poprzedzona 34 zerami i kropką dziesiętną). To jest skala, w której siła grawitacji rywalizuje z innymi podstawowymi siłami natury. W tej skali potrzebujemy ujednoliconej teorii fizyki, aby opisać rzeczywistość

Nie mamy takiej teorii.

Mamy więc problem. Większość (jeśli nie wszystkie) modeli inflacji wymaga, aby Wszechświat rozrósł się do tego stopnia, że ​​różnice sub-Planckowe stają się makroskopowe. Ale nie rozumiemy fizyki sub-Planckowej. Jak więc moglibyśmy zbudować teoretyczny model inflacji, jeśli nie rozumiemy leżącej u jej podstaw fizyki?

Poza skalą Plancka

Może odpowiedź brzmi: Nie możemy. Nazywa to się hipotezą trans-Planckian Censorship Conjecture lub TCC [~ hipoteza cenzury trans-Planckowej] (w tej nazwie „trans-Planckian” oznacza wszystko, co jest poniżej długości Plancka).

Robert Brandenberger, szwajcarsko-kanadyjski kosmolog teoretyczny i profesor na Uniwersytecie McGill w Montrealu w Kanadzie, napisał niedawno recenzję hipotezy TCC. Według Brandenbergera „TCC to nowa zasada, która ogranicza żywotne kosmologie”. Jego zdaniem TCC sugeruje, że żaden obserwator w naszym wielkoskalowym świecie nigdy nie może „zobaczyć”, co dzieje się w maleńkiej, trans-Planckowej skali. Nawet gdybyśmy mieli teorię grawitacji kwantowej, w oparciu o TCC nic, co żyje w reżimie sub-Planckowym, nigdy nie przejdzie do makroskopowego świata. Jeśli chodzi o znaczenie TCC dla modeli inflacji, to niestety nie jest to dobra wiadomość.

Większość teorii inflacji opiera się na technice znanej jako „efektywna teoria pola [effective field theory]”. Ponieważ nie mamy teorii, która jednoczy fizykę przy wysokich energiach i małych skalach (czyli takich jak inflacja), fizycy próbują budować wersje dla niższych energii, aby osiągnąć postęp. Ale w TCC taka strategia nie działa, ponieważ kiedy używamy TCC do budowania modeli inflacji, proces inflacji zachodzi tak szybko, że „wystawia” reżim sub-Planckowy na makroskopową obserwację, powiedział Brandenberger.

W świetle tej kwestii niektórzy fizycy zastanawiają się, czy powinniśmy przyjąć zupełnie inne podejście do wczesnego wszechświata.

Z bagna

String gas cosmology [~ kosmologia gazu strunowego] jest możliwym podejściem do modelowania wczesnego Wszechświata w ramach teorii strun, która sama w sobie jest obiecującym kandydatem do ujednoliconej teorii fizyki, która łączy klasyczną i kwantową fizykę pod jednym dachem. W modelu gazu strunowego wszechświat nigdy nie podlegał okresowi gwałtownej inflacji. Zamiast tego, okres inflacji był znacznie łagodniejszy i wolniejszy, a fluktuacje poniżej długości Plancka nigdy nie są „eksponowane” na makroskopowy wszechświat. Fizyka poniżej skali Plancka nigdy “nie rośnie”, aby stać się możliwą do zaobserwowania, więc TCC jest usatysfakcjonowany. Jednak modele gazów strunowych nie mają jeszcze wystarczających szczegółów, aby porównać je z obserwowalnymi dowodami inflacji we Wszechświecie.

TCC wiąże się z innym punktem spornym między inflacją a teoriami zunifikowanej fizyki, takimi jak teoria strun. Teoria strun przewiduje ogromną liczbę potencjalnych wszechświatów, z których nasz konkretny kosmos (ze swoim zestawem sił i cząstek oraz resztą fizyki) reprezentuje tylko jeden. Wydaje się, że większość (jeśli nie wszystkie) modeli inflacji jest nie do pogodzenia z teorią strun na podstawowym poziomie. Modele inflacji należą do tego, co teoretycy strun nazywali „swampland [bagno, mokradło, moczary]” – regionem możliwych wszechświatów, które po prostu nie są fizycznie realistyczne.

TCC może być wyrazem “odrzucenia bagiennej inflacji”.

Nadal możliwe jest zbudowanie tradycyjnego modelu inflacji, który spełnia wymogi TCC (i żyje poza bagnami teorii strun); ale jeśli TCC jest prawdą, poważnie ogranicza to rodzaje modeli, które mogą zbudować fizycy. Jeśli inflacja zdoła postępować przez wystarczająco krótki okres czasu (wyobraź sobie powolne nadmuchiwanie balonu i zatrzymywanie się, zanim on pęknie), a jednocześnie zasiewając nasiona, które pewnego dnia wyrosną na masywne struktury, może zadziałać teoria inflacji.

W tej chwili TCC nie zostało udowodnione – to tylko przypuszczenie. Sama teoria strun również nie została udowodniona (w rzeczywistości teoria nie jest kompletna). Mimo wszystko takie pomysły są przydatne, ponieważ fizycy zasadniczo nie rozumieją inflacji, a wszystko, co może pomóc “wyostrzyć myślenie”, jest mile widziane.

Źródło: Paul Sutter

Trans-Planckian Censorship Conjecture and Early Universe Cosmology

Zdjęcie: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x