|
Global Lithuanian Net: san-taka station: |
|
Didysis sprogimas ar Didysis atšokimas
Galbūt, Visata gimė didžiuoju atšokimu, kuris sukėlė sprogimą ir visa tai buvo
sukelta kvantinių-gravitacinių veiksnių. Tai teigia nauja (pulsuojančios Visatos) teorija...
Kai prieš šimtmečius buvo iškelta atomų hipotezė ir kai dar nebuvo galima įžvelgti tokių
mažų objektų, daugelis klausinėjo, ar ši koncepcija iš viso gali būti pavadinta moksline
(čia taip pat paskaitykite Ar tai mokslas?).
Galiausiai A. Einšteinas 1905 m. ištyrė
Brauno judėjimą atsitiktinį dulkių
dalelių blaškymąsi skystyje. Tačiau prireikė dar 20 m. teorijos, aiškinančios atomus, sukūrimui būtent
kvantinę mechaniką ir dar 20 m., kol Erwin Muller'is*) sukūrė mikroskopą, leidžiantį juos pamatyti.
Daugiausia žadantis yra kosmoso stebėjimas. Jei įsivaizduotume Visatos plėtrą atvirkščia
tvarka, tai matytume, kaip visos galaktikos sulekia į vieną be galo mažą tašką
Didžiojo sprogimo singuliarumą. Dabartinė gravitacijos teorija
(bendroji Einšteino reliatyvumo teorija)
spėja, kad jame Visata buvo begalinio tankio ir temperatūros. Toji akimirka kartais prakišama
kaip Visatos pradžia, materijos, erdvės ir laiko gimimas. Toks aiškinimas, vienok, nueina per toli, nes begaliniai dydžiai rodo,
kad sutrinka pati bendroji reliatyvumo teorija. Norėdami
paaiškinti, kas įvyko, fizikai turi pakilti virš reliatyvumo. Reikia sukurti kvantinę gravitacijos
teoriją, kuri atsižvelgtų į atomistinę erdvėlaikio prigimtį, kurios nemato reliatyvumo teorija.
Pirmapradžio tankio pėdsakai gali būti išlikę dabartinėje materijos ir spinduliavimo struktūroje.
Erdvės atplaišos
Fizikai siūlo kelias kvantinės gravitacijos teorijas, kurių kiekviena kvantinius principus
gravitacijai taiko skirtingais būdais. Viena jų, išvystyta paskutiniame 20 a. dešimtmetyje, yra
kilpinė gravitacija (loop gravity). Ji kurta dviem etapais. Pradžioje teoretikai matematiškai performulavo
bendrąją reliatyvumo teoriją,
kad derėtų su klasikine elektromagnetizmo teorija; jos kilpos yra atitikmuo elektriniams ir magnetiniams laukams. Vėliau, įtraukę naujas
Kiti būdai, tokie, kaip stygų teorija ar vadinamoji
priežastinė dinaminė trianguliacija, nenumato erdvėlaikio atomų, tačiau kitais būdais pasiekia, kad nepaprastai maži atstumai
taptų nedalomi2). Tos teorijos yra naudingos, pvz., stygų teorija padeda
suprasti el. dalelių sąveikas (apimant ir gravitaciją),
kai tos sąveikos yra silpnos. Tačiau singuliarumo taške, kai gravitacija buvo labai stipri, priimtinesnė turėtų būti kilpų teorija.
A. Einšteino didžiausia įžvalga buvo ta, kad erdvėlaikis nėra tik scena, kurioje viskas vyksta.
Jis taip pat aktorius, vaidinantis savo vaidmenį. Jis ne tik nusako kūnų judėjimą, bet ir vystosi.
Tarp materijos ir erdvėlaikio yra sudėtinga sąveika. Erdvė gali plėstis ir trauktis.
Kilpų gravitacija išplečia tą įžvalgą į kvantinį lygmenį. Ji paima mūsų įprastinį elementariųjų
dalelių sampratą ir ją pritaiko erdvėlaikio atomams, pateikdama unifikuotą daugelio pagrindinių koncepcijų pateikimą.
Pvz., kvantinė elektromagnetizmo teorija aprašo vakuumą kaip esantį tuščią ir neturintį jokių dalelių. Bet koks energijos padidėjimas vakuume
sukelia dalelės atsiradimą. Kvantinėje gravitacijos teorijoje vakuumas yra erdvėlaikio nebuvimas tokia visiška tuštuma,
kokią tik galime įsivaizduoti. Kilpų gravitacija aprašo, kaip kiekvienas energijos padidėjimas vakuume sukuria naujus erdvėlaikio atomus.
Erdvėlaikio atomai sudaro tankų, netgi nepastovų tinklą. Dideliais atstumais jų dinamizmas leidžia vystytis klasikinės
bendrosios reliatyvumo teorijos Visatai. Kitais atvejais
mes niekada nepastebėsime erdvėlaikio atomų egzistavimo; tinklo tankis toks didelis, kad jis atrodo kaip kontinuumas. Tačiau kai erdvėlaikis užpildomas
energija (kaip buvo Didžiojo sprogimo metu),
grūdėta erdvėlaikio struktūra turi įtaką ir čia kilpų gravitacija atsiskiria nuo
bendrosios reliatyvumo teorijos. Kilpinė kvantinės gravitacijos teorija (LQG, Loop quantum gravity) viena iš
kvantinės gravitacijos teorijų, besiremianti diskretaus erdvėlaikio koncepcija ir prielaidomis apie erdvėlaikio sužadinimus
Planko mastelio ribose. Ji bazuojasi betarpiškai ant Einšteino geometrinės formuluotės nei gravitacijos laikymo jėga. Ji
laiko, kad erdvė ir laikas sudaryti iš baigtinių kilpų suaustų yra labai tankų audinį (arba tinklą). Tie kilpų tinklai vadinami
spinų tinklais (arba putomis). Taigi, pagal ją ne tik materija, bet ir pati erdvė turi atomistinę struktūrą. Kartu ji paremia pulsuojančios Visatos
hipotezę. Jos pradininkais 20 a. 9-me dešimtm. buvo L. Smolinas,
K. Rovelis ir A. Aštekaras. Vienu jos privalumų natūralumas,
su kuriuo ji paaiškina Standartinį elementariųjų dalelių modelį. Traukia iki atostūmio
Teoretikai neretai pasaulį aprašo diferencialinėmis lygtimis, nusakančiomis fizikinių
kintamųjų kitimo spartą. Tačiau kai erdvėlaikis yra grūdėtas, reikia diferencialines lygtis
naudoti kontinuumą suskaidžius į diskrečius intervalus. Tos lygtys aprašo, kaip Visata kopia
dydžių kopėčiomis, kas vyksta jai augant. Ir buvo gauti netikėti rezultatai.
Paprastai gravitacija laikoma traukos jėga. Materijos rutulys stengiasi susispausti
veikiamas savo svorio ir jei masė yra pakankamai didelė, gravitacija viršija visas kitas jėgas ir
suspaudžia rutulį į singuliarumą (tai ir yra juodoji skylė). Tačiau kilpų gravitacija laiko, kad
atomistinė erdvėlaikio struktūra pakeičia gravitacijos prigimtį esant labai aukštiems energijos
tankiams, paversdama ją atstumiančia. Įsivaizduokite erdvę kaip kempinę, o masę ir energiją
kaip vandenį. Porėta kempinė gali sugerti vandenį, tačiau tik tam tikrą jo kiekį. Iki galo
išmirkusi, ji daugiau nesugeria vandens. Taip ir atomistinė kosminė erdvė yra porėta ir gali
priimti tik ribotą energijos kiekį. Kai energijos tankis tampa per didelis, pradeda veikti atostūmio jėgos (tuo tarpu
bendrojoje reliatyvumo teorijoje erdvė yra kontinuumas, galintis talpinti neribotą energijos kiekį).
Tokiomis sąlygomis negali atsirasti singuliarumas begalinio tankio būsena. Tad Visata
pradžioje turėjo labai didelį, tačiau ribotą tankį. Gravitacija veikė kaip stumiančioji jėga,
priversdama erdvę plėstis; o kai tankis sumažėjo, gravitacija tapo traukos jėga. Visatos plėtimąsi palaiko inercija.
Faktiškai, atostūmio jėga Visatą vertė plėstis greitėjančiai. Atrodo, kad kosminiai
stebėjimai reikalauja, kad toks laikotarpis, vadinamas kosmine infliacija, turėjo egzistuoti.
Visatai plečiantis infliacija silpo. Kai tik greitėjimas baigiasi, perteklinė energija virsta įprasta materija,
pradedančia užpildyti Visatą. Dabartiniuose kosmologijos modeliuose infliacija yra kažkokia netvarkinga ir įtraukta tam,
kad pateisintų stebėjimus. Tačiau kilpų kvantinėje kosmologijoje tai natūrali atomistinės erdvėlaikio struktūros išdava.
Laikas prieš laiką Ar manoma pažvelgti, kas buvo prieš Didįjį sprogimą?
Bet jei infliacija atsakinga už viską, ką dabar turime Visatoje, tai kyla klausimas, o kas buvo iki jos?! Kai kuriais atvejais tai, kas atrodo singuliarumu tašku erdvėlaikyje, kuriam matematiniai apibūdinimai netenka prasmės, iš tikro gali pasirodyti besą iliuzija.
Tad matematikai ir sprendė klausimą, ar egzistavo taškas prieš infliaciją, kuriame pažeidžiami gravitacijos dėsniai. Kažkas panašaus yra ir su juodųjų skylių matematiniais modeliais.
K. Schwarzschildo 1916-ais pateiktos lygtys, aprašančios sferines
nesisukančias juodąsias skyles, turėjo narį, kurio vardiklis tapdavo 0 ties juodosios skylės horizontu.
Tai leido fizikams manyti, kad įvykių horizontas turi fizinį singuliarumą. Tačiau po 8 m. A. Edingtonas parodė,
kad naudojant kitas koordinates, singuliarumas išnyksta. Tačiau juodosios skylės centre tankis ir kreivumas artėja į begalybę ir to neįmanoma pataisyti renkantis kitą koordinačių
sistemą. Bendrosios reliatyvumo teorijos dėsniai ima krėsti kvailystes. Tai vadinama kreivumo singuliarumu - t. y. vyksta kažkas, ko dabartinės teorijos negali paaiškinti..
Tad minėta tyrėjų grupė ir bandė nustatyti, ar Didžiojo sprogimo
pradžia labiau primena juodosios skylės centrą ar jos horizontą.
Jie rėmėsi A. Borde***), A. Gutho ir
A. Vilenkino 2003 m. įrodyta teorema (BGV), teigiančia, kad infliacija
privalėjo turėti pradžią (negalėjo tęstis amžinai į praeitį). Tad BGV nurodo singuliarumo buvimą, tačiau nenurodo, kokio tipo jis buvo. Jie panaudojo parametrą,
vadinamą mastelio veiksniu, kuris apibūdina, kaip atstumas tarp objektų pasikeitė Visata plečiantis. Didysis sprogimas
buvo momentas, kai mastelio koeficientas buvo lygus nuliui - viskas buvo suspausta į vieną bematį tašką. Vėliau infliacijos metu mastelio koeficientas
didėjo eksponentiniu greičiu, o prieš ją galėjo skirtis įvairiais būdais. Straipsnyje pateikiama mastelio faktoriaus skirtingų scenarijų ypatybių taksonomija.
Buvo žinoma, kad Visatoje su tamsiąja energija, tačiau be materijos, infliacijos pradžia turėjo koordinatinį singuliarumą,
kurį galima pašalinti. Tačiau realioje Visatoje, aišku, yra ir materija. Tad galimi triukai to singuliarumo apėjimui?! Ir mokslininkai parodė,
kad jei materijos kiekis yra nežymus lyginant su tamsiosios energijos kiekiu, singuliarumą galima pašalinti. Taigi, Visatos
istorija galėtų užeiti už Didžiojo sprogimo. Tačiau kosmologai mano, kad ankstyvojoje Visatoje materijos buvo daugiau nei energijos
tad BGV būtų tikru fizikinio kreivumo singuliarumu, kuriame gravitacijos dėsniai netenka prasmės. O tai užuomina į tai, kad bendroji
reliatyvumo teorija negali būti pilnu svarbiausių fizikos taisyklių aprašymu. Be to, neturint singuliarumo, apibūdinančio laiko pradžią, Visatos istorija gali būti pratęsta toliau į praeitį3).
Panaudoję diferencialines lygtis, galime rekonstruoti tolimą praeitį. Vienas galimų scenarijų yra tas, kad pradinė didelio tankio Visata susidarė,
kai iki tol egzistavusi Visata susitraukė veikiama gravitacinės traukos jėgos. Kažkuriuo momentu gravitacijos jėga virto
atostūmio jėga ir Visata vėl išsiplėtė. Kosmologai šį procesą pavadino Didžiuoju atšokimu (Big Bounce).
Tačiau iš tikro vaizdas nėra toks paprastas. Atšokimas nėra vien trumpas atostūmio jėgos veiksmas.
Jis gali reikšti mūsų Visatos išsiskyrimą iš beveik neišmatuojamų kvantinės būsenos gelmių nepaprastos betvarkės pasaulio. Panaši š mūsiškę Visata
turėjo išgyventi nepaprasto materijos ir energijos tankio periodą, kurio metu viskas buvo atsitiktinai permaišyta. Visata iki
Didžiojo sprogimo galėjo fliuktuoti visiškai skirtingai nei po jo
tačiau apie tai mes nesužinosime. Visata perėjo visiško užmaršumo būseną.
Bet tai kartu gali būti ir gelbėjimosi ratas. Fizikinėse sistemose, kaip ir kasdieniniame
gyvenime, betvarkė linkusi didėti. Tas principas, vadinamas antruoju termodinamikos dėsniu,
yra argumentas, kodėl negali būti amžinos Visatos. Jei tvarka mažėjo begalinį laiko tarpą, tai
dabartinė Visata turėjo jau visai likti be tvarkos ir tokie dariniai, kaip galaktikos, žvaigždės ir
Žemė, turėtų būti negalimi. Tad kosminis užmaršumas.gali paaiškinti, kodėl jie tebėra. Pagal
tradicinę termodinamikos teoriją, nėra tokio dalyko kaip švari būsena: bet kuri sistema
išsaugo atmintį apie savo praeitį savo atomų konfigūracijose4. Tačiau
leisdama erdvėlaikio atomams keistis, kilpų gravitacija suteikia Visatai daugiau laisvės susitvarkymui, nei numato klasikinė fizika.
Tačiau tai nereiškia, kad kosmologai neturi vilties peržengti kvantinės gravitacijos
laikotarpį. Daug žada gravitacinės bandos ir neutrinai, nes jie mažai sąveikauja su materija ir
todėl gali praeiti pirmapradę plazmą mažai nukentėdami. Iš jų galima tikėtis žinių apie laiką,
buvusį net prieš Didįjį sprogimą. Viena iš galimybių ieškoti atspaudų mikrobanginiame
kosmoso spinduliavime5 (apie jį žr. >>>>). Didžiojo sprogimo ir jį sekusios infliacijos teorija, nors ją palaiko
CMB bei seniausių stebimų žvaigždžių amžius, palieka keletą neaiškumų, įskaitant hipotezes dėl tamsiosios materijos
ir tokių neaiškumų kaip plokštumo problema (kodėl stebima atrodo plokščia?). Alternatyvi nesinguliarios atšokstančios materijos kosmologinė teorija
panaikina tuos neatitikimus, laikydama, kad Visata šokčioja tarp Didžiojo sprogimo ir tokios, kokią matom dabar (ji analizuojama ir 2024 m. J. of Cosmology and Astroparticle Physics straipsnyje).
Tokiu atveju, dabartinė Visata yra perdirbta ankstesnioji.
Tarptautinė komanda išnagrinėjo ir pirmapradžių juodųjų skylių egzistavimo galimybes šioje teorijoje. Anot jų. Super-horizonto kreivumo
fliuktuacijų sustiprėjimas materijos susispaudimo metu derinyje su trumpu pereinamuoju laikotarpiu vėl prie Visatos plėtimosi galėjo
sudaryti sąlygas pirmapradžių juodųjų skylių susidarymui o šios buvo pasiūlytos kaip paaiškinimas dėl tamsiosios materijos
(nors, atrodo, jų yra per mažai, kad pakaktų paaiškinimui). Parengė Cpt.Astera's Advisor *) Ervinas Miuleris (Erwin Wilhelm Muller, 1911-1977) vokiečių fizikas, išradęs elektroninį projektorių (1936), joninį projektorių su atominiu zondu (1968), pajėgų išskirti atskirą pasirinktą atomą ant metalinio paviršiaus. Pirmasis stebėjo atomą. 1956 m. atrado garavimą veikiant laukui. **) Abėjus Aštekaras (Abhay Vasant Ashtekar, g. 1949 m.) indų fizikas teoretikas, Pensilvanijos un-to Gravitacinės fizikos ir geometrijos inst-to direktorius, mokslo populiarintojas. Buvo vienas kilpų teorijos gravitacijoje kūrėju, sukurdamas jai kvantinę Rymano geometriją. Įvedė Aštekaro kintamuosius bendrajai reliatyvumo teorijai. 1999 m. kartu su kolegomis sugebėjo paskaičiuoti juodųjų skylių entropiją, atitinkančią S. Hokingo 1974 m. spėjimą. Užsiiima freimvorko gravitacinių bangų teorijai kūrimu. Religijos atžvilgiu yra ateistas, nors domisi indų ir kitomis Rytų tradicijomis, ypač daosizmu ir dzen budizmu; laiko save įkvėptu Bhagavat-Gitos. ***) Arvindas Bondė (Arvind Borde) - indų kilmės amerikiečių matematinės fizikos mokslininkas, Long Ailendo un-to profesorius. Domėjimosi sritys: reliatyvumas ir kosmologija, topologija, kompiuteriai, valgio gaminimas ir kriketas. Žinomas kaip TeX žinovas ir paskelbė ir dvi knygas iš kompiuterių srities; yra sukūręs programinės įrangos (pvz., Arithmetica!). Nuorodos: 1) L. Smolin. Atoms of Space and Time// Sci.Am., Jan. 2004 Papildomai skaitykite:
|
Panašiu keliu nuėjo ir 
procedūras, kurių kai kurios panašios į 
Supaprastinto modelio simuliaciją Abhay Ashtekar'as**), Tomasz Pawlowski's ir Parampreet Singh'as paskaičiavo tik 2006 m.
Ji aiškiai parodė, kad Visata sukrenta ne į singuliarumą nebūtį, o susispaudimas sustoja ir ima veikti atostūmio jėgos. Kartu kėlė susidomėjimą tai,
kad šio proceso metu garsusis kvantinės mechanikos 
Be to, astronomai gali paieškoti erdvėlaikio analogų 
