Μαθηματικό μοντέλο φυσικών εξερευνά τι συνέβη πριν από το Big Bang

Πηγή: ANI, 2 Ιουλίου 2007

Μια ομάδα φυσικών του πολιτειακού πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια έχει χρησιμοποιήσει ένα μαθηματικό μοντέλο για να εξερευνήσει τι συνέβη ακριβώς πριν από τη Μεγάλο Έκρηξη.

"Η εργασία μου εισάγει ένα νέο μαθηματικό μοντέλο που αντικαθιστά την κλασσική ιδέα ενός Big Bang ως την αρχή του Κόσμου μας", λέει ο Martin Bojowald, βοηθός καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο Penn.

Η ιδέα ότι ο Κόσμος εξερράγη με μια Μεγάλη Έκρηξη είναι ένα μεγάλο εμπόδιο στις επιστημονικές προσπάθειες για να γίνει κατανοητή η προέλευση του διαστελλόμενου σύμπαντος. Όπως περιγράφεται στη θεωρία της γενικής σχετικότητας, η προέλευση του Big Bang είναι από μαθηματική άποψη μια μη διαισθητική κατάσταση - μια 'ανωμαλία' ή μια 'ιδιομορφία' μηδενικού όγκου που, εντούτοις, περιείχε άπειρη πυκνότητα και απείρως μεγάλη ενέργεια.

Τώρα, ο Bojowald και οι συνάδελφοί του εξερευνούν εκείνο το έδαφος - τον χρόνο πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη - χρησιμοποιώντας μια μαθηματική χρονική μηχανή που την ονομάζουν Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων (Loop Quantum Gravity ή LQG). Σε αυτήν ο χωροχρόνος αποτελείται από μικροσκοπικούς διασυνδεδεμένους βρόχους μήκους 10^-35 μέτρων. Διατρέχοντας μάλιστα τον χρόνο προς τα πίσω σύμφωνα με τη θεωρία τους αποφεύγουν και την ανωμαλία της κοσμικής ιδιομορφίας.

Η θεωρία δείχνει ότι ο χωροχρονικός ιστός έχει μια "ατομική" γεωμετρία που υφαίνεται με μονοδιάστατα κβαντικά νήματα.

Αυτός ο χωροχρονικός ιστός σχίζεται βίαια κάτω από ακραίες συνθήκες, που κυριαρχούνται από την κβαντική φυσική κοντά στην περίοδο της Μεγάλης Αναπήδησης (Big Bounce), αναγκάζοντας έτσι τη βαρύτητα να γίνει έντονα απωστική, οπότε αντί της εξαφάνισης προς το άπειρο - όπως προβλέπεται από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν - το σύμπαν να οδηγήθηκε προς μια Μεγάλη Αναπήδηση γεννώντας έτσι ένα σύμπαν που διαστέλλεται.

Η θεωρία αυτή της Κοσμικής Αναγέννησης μας αποκαλύπτει επί πλέον ένα σύμπαν που συστέλλεται πριν γεννηθεί ξανά, ενώ η γεωμετρία του χωροχρόνου ήταν τότε παρόμοια με αυτήν του Κόσμου μας σήμερα.

Σύμφωνα με την ομάδα, αυτή η θεωρία που συνδυάζει τη θεωρία της γενικής σχετικότητας με εξισώσεις της κβαντομηχανικής που δεν υπήρχαν την περίοδο του Αϊνστάιν, είναι η πρώτη μαθηματική περιγραφή για τη συστηματική καθιέρωση της ύπαρξης της Μεγάλης Αναπήδησης, αλλά και για να εξάγει τις ιδιότητες του προηγούμενου σύμπαντος από το οποίο μπορεί να είχε αναπηδήσει το δικό μας σύμπαν.

"Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Einstein δεν περιλαμβάνει την κβαντική φυσική που πρέπει να έχετε προκειμένου να περιγραφούν οι εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, που εξουσίαζαν το σύμπαν μας κατά τη διάρκεια της πολύ πρώιμης ιστορίας του, αλλά τώρα έχουμε την Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων, μια θεωρία που περιλαμβάνει την απαραίτητη κβαντική φυσική", εξηγεί ο Bojowald.

Το μοντέλο του έδειξε ότι οι περισσότερες, αλλά όχι όλες, πληροφορίες για το τι υπήρχε πριν από το Big Bang χάθηκαν ανεπανόρθωτα όταν το προηγούμενο σύμπαν οδηγήθηκε στο σημερινό. Και σε έναν διαρκή κύκλο Big Bang και Big Crunch, αυτή η απώλεια πληροφοριών σημαίνει ότι κανένα σύμπαν δεν είναι πάντα το ίδιο. Ο Bojowald ονομάζει αυτό "Κοσμική Λησμοσύνη".

Ο κοσμολόγος Paul Steinhardt του πανεπιστημίου Princeton λέει ότι το μοντέλο του Bojowald είναι σωστό σε γενικές γραμμές. "Είναι σημαντικό να χαθούν κάποιες πληροφορίες, αλλά όχι όλες", λέει.

Ο Thomas Thiemann του Ινστιτούτου Max Planck για τη Βαρυτική Φυσική στην πόλη Golm λέει ότι αν και μερικές από τις υποθέσεις του Bojowald μπορούν να αποδειχθούν πάρα πολύ απλές, το μοντέλο είναι "η πιο καθαρή δημιουργία ενός σεναρίου προ-Big Bang, από όλες που έχουν φτιαχτεί μέχρι τώρα".

Η μελέτη στάλθηκε για δημοσίευση στο Nature.

Η Μεγάλη Αναπήδηση ή Big Bounce είναι ένα θεωρητικό επιστημονικό μοντέλο σχετικό με τη δημιουργία του γνωστού σύμπαντος. Προέρχεται από την παραδοχή ότι η Μεγάλη Έκρηξη δημιουργήθηκε μετά την κατάρρευση ενός προηγούμενου σύμπαντος.  Οι θεωρητικοί το ονόμασαν μοντέλο της Μεγάλης Αναπήδησης γιατί μετά την  Σύνθλιψη του προηγούμενου σύμπαντος σε μια ιδιομορφία ξεκινά από αυτήν πάλι ένα νέο Σύμπαν με μία Μεγάλη Έκρηξη.

Σύμφωνα με μια εκδοχή της θεωρίας του Big Bang, στην αρχή το σύμπαν είχε άπειρη πυκνότητα. Μια τέτοια περιγραφή φαίνεται να είναι σε διαφωνία με οτιδήποτε άλλο στη φυσική, και ειδικά με την κβαντομηχανική και την Αρχή της Αβεβαιότητας της. Γι αυτό και η κβαντομηχανική έχει προκαλέσει μια εναλλακτική έκδοση του Big Bang. Επίσης, εάν το σύμπαν μας είναι κλειστό, αυτή η θεωρία θα πρόβλεπε ότι μόλις καταρρεύσει αυτό το σύμπαν (κάτω από μια Μεγάλη Σύνθλιψη ή Big Crunch), θα γεννήσει ένα άλλο σύμπαν, μέσα σε ένα γεγονός παρόμοιο με του Big Bang, μόλις επιτευχθεί μια συμπαντική ιδιομορφία ή ανωμαλία.

Σύμφωνα με μερικούς θεωρητικούς του Κυκλικού Σύμπαντος ή του ταλαντούμενου σύμπαντος, το Big Bang ήταν μόνο η αρχή μιας περιόδου διαστολής που ακολούθησε μια περίοδο συστολής (Crunch). Ή πιο απλά προηγήθηκε μια Μεγάλη Σύνθλιψη που ακολουθήθηκε από ένα Big Bang, ή απλούστερα έγινε συνολικά μια Μεγάλη Αναπήδηση. Το γεγονός αυτό προτείνει ότι εμείς ζούμε είτε στο πρώτο σύμπαν είτε στο 2ο δισεκατομμυριοστό σύμπαν.

Η κύρια ιδέα πίσω από την κβαντική θεωρία μιας Μεγάλης Αναπήδησης είναι ότι, καθώς η πυκνότητα γίνεται άπειρη, η συμπεριφορά του κβαντικού αφρού αλλάζει. Όλες οι θεμελιώδεις φυσικές σταθερές, συμπεριλαμβανομένης και της ταχύτητας του φωτός στο κενό, δεν ήταν και τόσο σταθερές κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Σύνθλιψης, ειδικά στο χρονικό διάστημα από 0 έως 10 ^{− 43} δευτερόλεπτα πριν και μετά από το σημείο της αλλαγής.

Μία από τις κύριες αντιρρήσεις στις απόψεις της θεωρίας του Big Bounce είναι ότι έχουν συσσωρευτεί πολλές πειραματικές αποδείξεις ότι ο Κόσμος μας προορίζεται για ένα Μεγάλο Πάγωμα (Big Freeze) ή ένα Θερμικό Θάνατο κι όχι μια Μεγάλη Σύνθλιψη (Big Crunch). Εντούτοις, αυτά τα στοιχεία δεν αποκλείουν την πιθανότητα η δική μας Μεγάλη Έκρηξη  να ακολούθησε την τελευταία Μεγάλη Σύνθλιψη, τουλάχιστον την έσχατη στην χρονική γειτονιά μας.

Επιπλέον, η καλύτερη κατανόηση του κβαντικού αφρού μπορεί να οδηγήσει σε μια επανερμηνεία των στοιχείων σχετικά με τη μοίρα του σύμπαντος μας.

Ο Lee Smolin, από το Ινστιτούτο Perimeter του Καναδά, μαζί με τον Carlo Rovelli προωθούν από το 1990 τη δική τους εκδοχή της κβαντικής βαρύτητας που έγινε γνωστή με το όνομα Loop Quantum Gravity (Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων). Το ενδιαφέρον σε αυτή τη νέα θεώρηση είναι ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος είναι κβαντισμένος, πράγμα που επιτρέπει την απευθείας μεταφορά της κβαντικής λογικής στις εξισώσεις του Αϊνστάιν με τη χρήση κατάλληλα τροποποιημένων μεταβλητών. Στη λογική των Smollin και Rovelli, τα βαρυτόνια δεν είναι πλέον απαραίτητα εφόσον η έννοια της καμπυλότητας του χώρου μπορεί να μεταφερθεί απευθείας σε έναν διακριτό χωροχρόνο που μοιάζει κάπως με δικτυωτό.