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.