Wielka kolizja: kosmologia bran i cykliczny wszechświat

Wielka kolizja: kosmologia bran i cykliczny wszechświat

Współczesna kosmologia przyzwyczaiła nas do myśli o Wielkim Wybuchu jako absolutnym początku czasu i przestrzeni. Jednak dla części fizyków teoretycznych model ten pozostawia zbyt wiele pytań bez odpowiedzi – m.in. co było „przed” osobliwością? Odpowiedzią na to pytanie jest teoria ekpyrotyczna (z greckiego ekpyrosis – „pożar świata”), znana szerzej jako koncepcja wielkiej kolizji.

Fundamenty: świat na membranach

Teoria Wielkiej Kolizji opiera się na M-teorii, która zakłada istnienie jedenastu wymiarów. W tym modelu nasz trójwymiarowy wszechświat jest jedynie „braną” (skrót od membrana) – trójwymiarową strukturą zawieszoną w wielowymiarowej przestrzeni zwanej „bulkiem” (ang. bulk = ogrom).

Kluczowe założenia mechanizmu kolizji:

  • Istnienie sąsiedniej brany

Obok naszego wszechświata, oddzielona mikroskopijną odległością w wyższym wymiarze, znajduje się druga brana.

  • Oddziaływanie grawitacyjne

Choć materia i światło są „uwięzione” na swoich branach, grawitacja może przenikać przez dodatkowy wymiar, przyciągając obie brany do siebie.

  • Zderzenie zamiast osobliwości

Wielki Wybuch nie jest momentem powstania wszystkiego z nicości, lecz gigantycznym zderzeniem dwóch bran. Energia tej kolizji zostaje przekształcona w kwarki, elektrony i fotony, wypełniając nowo powstały (lub odrodzony) wszechświat gorącą plazmą.

Model cykliczny: wieczny powrót

Współczesna ewolucja tej teorii, opracowana przez Paula Steinhardta i Neila Turoka, sugeruje, że wszechświat nie ma początku ani końca w tradycyjnym rozumieniu. Jest to proces samoodnawiający się:

  • Kolizja

Brany zderzają się, inicjując fazę gorącej ekspansji (odpowiednik Wielkiego Wybuchu).

  • Ekspansja i ochłodzenie

Wszechświat rozszerza się, formują się gwiazdy i galaktyki.

  • Dominacja ciemnej energii

W pewnym momencie ekspansja przyspiesza, rozrzedzając materię do tego stopnia, że wszechświat staje się niemal pusty.

  • Kurczenie się wymiaru

Choć same brany pozostają rozległe i płaskie, odległość między nimi zaczyna maleć.

  • Ponowna kolizja:

Brany znów się spotykają, a cykl rusza od nowa.

Dlaczego to ważne? Ten model rozwiązuje problem „horyzontu” i „płaskości” wszechświata bez potrzeby wprowadzania teorii inflacji. Wygładzanie wszechświata zachodzi w fazie pustki przed kolizją, a nie w ułamku sekundy po niej.

Kto rozwija tę wizję?

Teoria ta nie jest jedynie matematyczną ciekawostką; stoi za nią grupa czołowych fizyków teoretycznych, którzy szukają alternatyw dla standardowego modelu inflacyjnego.

Naukowiec Rola i wkład
Paul Steinhardt (Princeton University) Jeden z twórców modelu ekpyrotycznego i cyklicznego. Choć sam pomagał budować teorię inflacji, stał się jej głównym krytykiem.
Neil Turok (Perimeter Institute/University of Edinburgh) Współautor modelu ze Steinhardtem. Koncentruje się na matematycznych aspektach przejścia przez moment kolizji (tzw. cosmic bounce).
Anna Ijjas (Max Planck Institute for Gravitational Physics) Kluczowa postać młodszego pokolenia. Pracuje nad nowymi modelami matematycznymi, które pozwalają uniknąć problemu osobliwości podczas „odbicia”.
Burt Ovrut (University of Pennsylvania) Specjalista od teorii strun i M-teorii, który położył fundamenty pod zrozumienie oddziaływań między branami.

Wyzwania i przyszłość

Teoria Wielkiej Kolizji jest fascynująca, oferuje bowiem obraz wszechświata bez początku. Żyjemy w jednej z dwóch gigantycznych bran, które po bilionach lat rozpoczynają nowy cykl istnienia. Największym wyzwaniem pozostaje jednak jej weryfikacja empiryczna. Fizycy liczą na to, że różnice między inflacją a cyklicznością uda się dostrzec w pierwotnych falach grawitacyjnych.

Zgodnie z modelem ekpyrotycznym, kolizja bran powinna generować znacznie słabsze fale grawitacyjne niż gwałtowna inflacja. Jeśli przyszłe detektory (takie jak satelita LiteBIRD lub naziemne obserwatoria CMB-S4) nie wykryją silnego sygnału tych fal, szala zwycięstwa może przechylić się na stronę zwolenników cyklicznej wielkiej kolizji. Odpowiedź może kryć się w najstarszym świetle wszechświata, jakie jesteśmy w stanie zarejestrować.

Opublikuj komentarz