Cyklisk model af universet: degeneration af stof sker uendeligt

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

I begyndelsen af 2000'erne foreslog to fysikere fra Princeton University en kosmologisk model, hvorefter Big Bang ikke er en unik begivenhed, men rumtiden eksisterede længe før universet blev født.

I den cykliske model gennemgår universet en uendelig selvopretholdende cyklus. I 1930'erne fremsatte Albert Einstein ideen om, at universet kan opleve en endeløs cyklus af store brag og store kompressioner. Udvidelsen af vores univers kan være resultatet af sammenbruddet af det forudgående univers. Inden for rammerne af denne model kan vi sige, at universet blev genfødt fra sin forgængers død. Hvis ja, så var Big Bang ikke noget unikt, det er blot én mindre eksplosion blandt et uendeligt antal andre. Cyklisk teori erstatter ikke nødvendigvis Big Bang-teorien, men forsøger snarere at besvare andre spørgsmål: for eksempel, hvad skete der før Big Bang, og hvorfor førte Big Bang til en periode med hurtig ekspansion?

En af de nye cykliske modeller af universet blev foreslået af Paul Steinhardt og Neil Turok i 2001. Steinhardt beskrev denne model i sin artikel, som blev kaldt The Cyclic Model of the Univers. I strengteori er en membran eller "brane" et objekt, der eksisterer i en række dimensioner. Ifølge Steinhardt og Turok svarer de tre rumlige dimensioner, vi ser, til disse braner. To 3D-braner kan eksistere parallelt, adskilt af en ekstra, skjult dimension. Disse braner - de kan opfattes som metalplader - kan bevæge sig langs denne ekstra dimension og kollidere med hinanden og skabe Big Bang og derfor universer (som vores). Når de støder sammen, udspiller begivenhederne sig i henhold til standard Big Bang-modellen: varmt stof og stråling skabes, hurtig inflation opstår, og så afkøles alt - og strukturer som galakser, stjerner og planeter dannes. Steinhardt og Turok hævder dog, at der altid er en eller anden interaktion mellem disse braner, som de kalder inter-brane: det trækker dem sammen, hvilket får dem til at kollidere igen og producere det næste Big Bang.

Steinhardt og Turoks model udfordrer ikke desto mindre nogle af Big Bang-modellens antagelser. For eksempel var Big Bang ifølge dem ikke begyndelsen på rum og tid, men derimod en overgang fra en tidligere fase af evolutionen. Hvis vi taler om Big Bang-modellen, så siger den, at denne begivenhed markerede den umiddelbare begyndelse af rum og tid som sådan. Derudover skal universets storskalastruktur i denne cyklus af kolliderende braner bestemmes af kompressionsfasen: det vil sige, at dette sker, før de kolliderer, og det næste Big Bang indtræffer. Ifølge Big Bang-teorien er universets storskalastruktur bestemt af en periode med hurtig ekspansion (inflation), som fandt sted kort efter eksplosionen. Desuden forudsiger Big Bang-modellen ikke, hvor længe universet vil eksistere, og i Steinhardt-modellen er varigheden af hver cyklus omkring en billion år.

Det gode ved den cykliske model af universet er, at den i modsætning til Big Bang-modellen kan forklare den såkaldte kosmologiske konstant. Størrelsen af denne konstant er direkte relateret til den accelererede udvidelse af universet: den forklarer, hvorfor rummet udvider sig så hurtigt. Ifølge observationer er værdien af den kosmologiske konstant meget lille. Indtil for nylig blev det antaget, at dets værdi er 120 størrelsesordener mindre end forudsagt af standard Big Bang-teorien. Denne forskel mellem observation og teori har længe været et af de største problemer i moderne kosmologi. Men for ikke så længe siden blev der opnået nye data om universets udvidelse, ifølge hvilke det udvider sig hurtigere end tidligere antaget. Det er tilbage at vente på nye observationer og bekræftelse (eller afkræftelse) af de allerede opnåede data.

Steven Weinberg, 1979 nobelpristager, forsøger at forklare forskellen mellem at observere og forudsige en model ved hjælp af det såkaldte antropiske princip. Ifølge ham er værdien af den kosmologiske konstant tilfældig og adskiller sig i forskellige dele af universet. Vi bør ikke blive overrasket over, at vi bor i et så sjældent område, hvor vi observerer en lille værdi af denne konstant, da kun med denne værdi kan stjerner, planeter og liv udvikle sig. Nogle fysikere er dog ikke tilfredse med denne forklaring på grund af manglen på bevis for, at denne værdi er anderledes i andre områder i det observerbare univers.

En lignende model blev udviklet af den amerikanske fysiker Larry Abbott i 1980'erne. Men i hans model var faldet i den kosmologiske konstant til lave værdier så langt, at alt stof i universet over en sådan periode ville spredes i rummet, hvilket i virkeligheden efterlod det tomt. Ifølge Steinhardt og Turoks cykliske model af universet er grunden til, at værdien af den kosmologiske konstant er så lille, at den i starten var meget stor, men med tiden faldt den med hver ny cyklus. Med andre ord, med hver store eksplosion er mængden af stof og stråling i universet "nulstillet", men ikke den kosmologiske konstant. Over mange cyklusser er dens værdi faldet, og i dag observerer vi præcis denne værdi (5, 98 x 10-10 J / m3).

I et interview talte Neil Turok om sin og Steinhardts model af det cykliske univers som følger:

"Vi har foreslået en mekanisme, hvor superstrengteori og M-teori (vores bedst kombinerede teorier om kvantetyngdekraft) tillader universet at gå gennem Big Bang. Men for at forstå, om vores antagelse er fuldstændig konsistent, er der brug for yderligere teoretisk arbejde."

Forskere håber, at der med udviklingen af teknologi vil være mulighed for at teste denne teori sammen med andre. Så ifølge den standard kosmologiske model (ΛCDM) fulgte en periode kendt som inflation kort efter Big Bang, som fyldte universet med gravitationsbølger. I 2015 blev et gravitationsbølgesignal registreret, hvis form faldt sammen med forudsigelsen af den generelle relativitetsteori for fusionen af to sorte huller (GW150914). I 2017 blev fysikerne Kip Thorne, Rainer Weiss og Barry Barish tildelt Nobelprisen for denne opdagelse. Også efterfølgende blev gravitationsbølger registreret, der stammer fra hændelsen af fusionen af to neutronstjerner (GW170817). Imidlertid er gravitationsbølger fra kosmisk inflation endnu ikke blevet registreret. Desuden bemærker Steinhardt og Turok, at hvis deres model er korrekt, så vil sådanne gravitationsbølger være for små til at blive "opdaget".