physics4u - Το Σύμπαν Ένας Κβαντικός βρόγχος

"Υπάρχουν δύο κλασσικοί κλάδοι του σύμπαντος που συνδέονται με μια κβαντική γέφυρα. Η τελευταία συνδέει την κατάρρευση του προηγούμενου κλασσικού σύμπαντος με την τρέχουσα διαστολή του σύμπαντος". Ενώ ο Abhay Ashtekar και οι συνάδελφοι του, οι Tomasz Pawlowski και Parampreet Singh, μπορεί να μην έχουν μια εντελώς νέα θεωρία, αυτό όμως που έχουν κάνει είναι να δημιουργούν έναν συστηματικό τρόπο, μέσω κβαντικών εξισώσεων, για να δουν πίσω στο χρόνο τη γέννηση του σημερινού σύμπαντος.

Η ομάδα του Ashtekar από το Πολιτειακό Πανεπιστημιακό ίδρυμα της Πενσυλβανίας (PSU) για τη Φυσική της Βαρύτητας έστειλε μια επιστολή στο Physical Review Letters στις 12 Απριλίου, απαριθμώντας τι βρέθηκε και το φως που έπεσε σε αυτό που συνέβη πραγματικά στην εποχή που ξεκίνησε το σύμπαν.

"Η ιδέα μιας μετατροπής (από ένα άλλο σύμπαν στο δικό μας) ήταν συνεχώς γύρω μας", εξηγεί ο Ashtekar "και έχει εξεταστεί σε πολλά πλαίσια. Ένα από αυτά είναι η θεωρία των χορδών", Και συνεχίζει: "Η προ-Big Bang κοσμολογία εξέτασε την ιδέα ότι υπήρχε ένας κλάδος του σύμπαντος πριν από το Big Bang, και στο εκπυρωτικό σενάριο μια βράνη συγκρούεται με μία άλλη βράνη προκαλώντας μια μεταβολή ή μια Αναπήδηση - όπως το λένε".

Αυτό που καθιστά την εξήγηση του PSU διαφορετική, λέει ο Ashtekar, είναι το γεγονός ότι ενώ είχε υποτεθεί ότι υπήρχε κάτι πριν από το Big Bang, ο συστηματικός προσδιορισμός του τι μπορεί να ήταν αυτό έλειπε. Επιπλέον, "Κανένας δεν είχε ποτέ συστηματικές εξισώσεις που να καθορίζουν πως οδηγούμαστε από τους κλάδους του σύμπαντος προ του Big Bang - στους μετά του Big Bang".

Ο Ashtekar και οι συνάδελφοί του χρησιμοποιούν τις κβαντικές εξισώσεις του Αϊνστάιν από την Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων (LQC), μια προσέγγιση της ενοποίησης της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής φυσικής. Η LQC δεν προϋποθέτει την ύπαρξη μιας χωροχρονικής συνέχειας. Ο Ashtekar και οι συνεργάτες του διαπιστώνουν ότι πιθανά υπάρχει ένα κλασσικό σύμπαν, που μοιάζει και συμπεριφέρεται λίγο πολύ όπως αυτήν την περίοδο ο Κόσμος μας, στην άλλη μεριά του Big Bang, το οποίο περιγράφεται από αυτόν περισσότερο σαν μια Μεγάλης Αναπήδηση (στη μετατροπή του προηγούμενου σύμπαντος στο δικό μας). Σε αυτά τα κλασσικά σύμπαντα, ο χωρόχρονος είναι συνεχής και η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας είναι συνήθως ακριβής. Αλλά μεταξύ αυτών των δύο κλασσικών κόσμων, λέει ο Ashtekar, είναι ένα σημείο στο οποίο η γενική σχετικότητα δεν ισχύει. "Ξέρουμε ότι στο κβαντικό επίπεδο η θεωρία της γενικής σχετικότητας καταρρέει", εξηγεί, "και αυτή η κβαντική γέφυρα, που διαρκεί πολύ λίγο χρόνο συνδέει τους δύο κλάδους του σύμπαντος."

Χρησιμοποιώντας για παράδειγμα την κατάρρευση των άστρων, ο Ashtekar εξηγεί πώς το προ-Big Bang σύμπαν μειώθηκε και έγινε μικρότερο έως ότου μετατράπηκε και ξεκίνησε να αυξάνει πάλι σε αυτό που αναγνωρίζουμε ως σύμπαν μας: "Τα άστρα όπως ο ήλιος μας είναι σε ισορροπία. Υπάρχει μια ακτινοβολία που ωθεί προς τα έξω την ύλη ενάντια στη βαρύτητα, η οποία προσπαθεί να την κάνει να καταρρεύσει. Όταν το αστέρι ξεμείνει από τα καύσιμα του, η ακτινοβολία μειώνεται και δεν υπάρχει τίποτα για να σταματήσει την κατάρρευση. Για τα αστέρια με τρεις φορές τη μάζα του ήλιου μας ή και λιγότερο, όταν φτάνουν σε ένα ορισμένο σημείο, τα νετρόνια απωθούν το ένα το άλλο και γίνονται αστέρια νετρονίων ή πάλσαρ".

Αυτός συνεχίζει έπειτα να εξηγεί ότι στα μεγαλύτερα αστέρια, τα αστέρια με μάζα περισσότερη από τρεις φορές τη μάζα του ήλιου μας, η βαρύτητα αναγκάζει τα αστέρια να συνεχίσουν την κατάρρευσή τους, μέχρι να γίνει μια μαύρη τρύπα. "Οι δυνάμεις της φύσης, που καταλαβαίνουμε καλά, δεν είναι αρκετές για να σταματήσουν αυτή την κατάρρευση".

Το σύμπαν, λέει ο Ashtekar, ενεργεί με σχεδόν τον ίδιο τρόπο. Το προ-σύμπαν κατάρρευσε μέσα στον εαυτό του. Εντούτοις, ένα νέο είδος απωστικής δύναμης μπαίνει στο παιχνίδι λόγω των κβαντικών ιδιοτήτων της ίδιας της γεωμετρίας. "Ανεξάρτητα από το πόσο βαριά και πόση μάζα είναι", λέει ο Ashtekar, "αυτή η απωστική δύναμη ακόμα υπερισχύει. Όταν το σύμπαν έφθασε σε ένα σημείο υψηλής πυκνότητας ή Planck όπως λέγεται, που ονομάστηκε έτσι από τον Max Planck τον ιδρυτή της κβαντομηχανικής, η απωστική δύναμη έκανε το σύμπαν να μεταβληθεί και να αναπηδήσει." Η ομάδα του Ashtekar δημιούργησε τους πρώτους λεπτομερείς υπολογισμούς που παρουσιάζουν μια κλασσική συμπεριφορά στο σύμπαν πριν από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης. "Είναι ο χρόνος που πρέπει να συνδυαστεί η κβαντική φυσική και η σχετικότητα, και σε αυτό το σημείο η νέα φυσική προκαλεί μια Μεγάλη Αναπήδηση του σύμπαντος. Και βρίσκουμε τις εξισώσεις που μας λένε ότι πριν από αυτήν την Μεγάλη Αναπήδηση, υπήρξε ένα άλλο κλασσικό σύμπαν."

Ενώ αφθονούν τα διαφορετικά σενάρια ως προς αυτό που υπήρχε στην άλλη πλευρά του Big Bang, κανένας δεν είχε προβλέψει οριστικά ένα κλασσικό σύμπαν. "Το γεγονός ότι υπάρχει ένα κλασσικό σύμπαν πριν από το Big Bang - στην άλλη πλευρά της Αναπήδησης - κι όχι κάποιο είδος κβαντικού αφρού στον οποίο η χωροχρονική γεωμετρία συρρικνώνεται, φάνηκε εκπληκτικό σε μας. Έτσι έπρεπε να κάνουμε περισσότερες δοκιμές για αρκετούς μήνες μέχρι να σιγουρευτούμε ότι αυτό δεν ήταν ένα λάθος. Και το αποτέλεσμα ήταν ασφαλές".

Ο Ashtekar αναγνωρίζει έναν περιορισμό στις εξισώσεις στις οποίες βασίζεται αυτή η ιδέα: "Αρχίζουμε τους υπολογισμούς με το να υποθέτουμε ότι το σύμπαν μας είναι ομοιογενές και ισοτροπικό. Είναι μια προσέγγιση που γίνεται στην κοσμολογία, ακόμα κι αν ξέρουμε ότι το σύμπαν δεν είναι ακριβώς έτσι. Έτσι το ζήτημα είναι πώς να κάνουμε το μοντέλο όλο και περισσότερο ρεαλιστικό. Και αυτή η εργασία αυτό κάνει".

"Η εργασία αυτή προσφέρει μια λύση στα χρονίζοντα υφιστάμενα προβλήματα", λέει ο Ashtekar. "Μπορούμε να δείξουμε ότι ο χωρόχρονος ήταν κλασσικός πριν από τη Μεγάλη Αναπήδηση (τη μετατροπή του προηγούμενου σύμπαντος στο δικό μας), και έγινε κλασσικός πάλι μετά από την Αναπήδηση. Δείξαμε ότι δεν υπάρχει κανένας κβαντικός αφρός από την άλλη πλευρά, αλλά ότι υπάρχει ένας κλασσικός κλάδος που συνδέεται με την κβαντική γεωμετρία. Και η συνοχή αυτών των αποτελεσμάτων δείχνει ότι τα φαινόμενα της κβαντικής γεωμετρίας διαδραματίζουν έναν κρίσιμο ρόλο στην κατανόηση της αληθινής φύσης του Big Bang".

Ο Ashtekar επίσης προσθέτει ότι αυτή η εργασία - στην οποία συνεχίζουν να εξετάζουν τη Μεγάλες Αναπήδηση και να δουλεύουν για να υπερνικήσουν τους περιορισμούς των εξισώσεων και των μοντέλων τους - θα συμβάλει καλύτερα στην κατανόηση της κβαντικής βαρύτητας, και στην ανάπτυξη μιας πληρέστερης θεωρίας. "Η εργασία μας έχει μερικά ουσιαστικά γνωρίσματα μιας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας", λέει. "Αυτό μας δίνει εμπιστοσύνη στις απόψεις μας".

Το Σύμπαν: Ένας Κβαντικός Βρόγχος