Kas negerai su Didžiojo sprogimo teorija ir kas tai yra infliacinis Visatos modelis? Revoliucinės mokslininkų idėjos, kaip paaiškinti tai, kas buvo tiesiog nepaaiškinama  (2)

Be galo apmaudu, kad negalime atsukti laiko atgal ir stebėti pirmųjų Visatos vystymosi minučių. Tad geriausiems planetos protams tenka griebtis matematikos ir remiantis surinktais stebėjimų duomenimis, kurti drąsiausius modelius. Vienas iš jų – kosminė infliacija.

Infliacijos teorija arba infliacinis Visatos modelis ankstyviausių Visatos momentų po Didžiojo sprogimo aprašymui apjungia kvantinės fizikos ir dalelių fizikos idėjas. Šiame modelyje Visata susidarė labai nestabili, ir tai išprovokavo spartų jos plėtimąsi pačiomis pirmosiomis akimirkomis. Viena iš tokio plėtimosi pasekmių – Visata daug didesnė, nei manyta iš pradžių, ir driekasi kur kas toliau, nei gali pažvelgti geriausi mūsų teleskopai. Be to, ši teorija prognozuoja kai kurias savybes, kurių Didžiojo sprogimo teorija nepaaiškina, — pavyzdžiui, tolygų energijos pasiskirstymą ir plokščią erdvėlaikio geometriją.

Infliacinės Visatos teoriją 1980 metais sukūrė fizikas Alanas Guthas. Dabar ji – visuotinai pripažįstama Didžiojo sprogimo teorijos dalis, nors šios pagrindinės idėjos priimtos gerokai anksčiau, nei buvo suformuluota infliacijos teorija.

Nuo ko viskas prasidėjo

Didžiojo sprogimo teorija ilgai laikėsi gana sėkmingai — ypač turint omenyje, kad ją patvirtino reliktinio spinduliavimo, kitaip – kosminio mikrobangų fono, atradimas. Tačiau, nors šiai teorijai pavyko paaiškinti daugelį stebimų Visatos aspektų, trys problemos liko neišspręstos:

– Homogeniškumo problema, arba, kodėl Visata buvo tokia tolydi, praėjus vos sekundei nuo Didžiojo sprogimo;
– Erdvės plokštumo problema;
– Numatyta magnetinių monopolių perprodukcija. Pagal Didžiojo sprogimo teoriją Visata turėtų būti netiesinė, energija joje turėtų būti pasiskirsčiusi netolygiai ir joje turėtų būti daugybė magnetinių monopolių. Tačiau nė vienas šio sąrašo punktas neatitiko turimų duomenų.

Fizikas Alan Guth apie plokštumo problemą pirmą kartą išgirdo 1978 metais Roberto Dicko paskaitose Cornellio universitete. Vėliau Guthas susiklosčiusiai situacijai pritaikė dalelių fizikos koncepcijas ir sukūrė ankstyvosios Visatos infliacinį modelį.

1980 metų sausio 23 dieną Guthas prisatė gautus duomenis Nacionalinėje SLAC greitintuvo laboratorijoje vykusioje paskaitoje. Revoliucinės jo idėjos esmė ta, kad pačius pirmuosius Didžiojo sprogimo momentus galima aprašyti dalelių fizikoje naudojamais kvantinės fizikos principais. Remiantis termodinamika, tokia tanki Visata turėjo plėstis neįtikėtinu greičiu.

Kalbant iš esmės, pagal tuomet naują modelį, Visata turėjo atsirasti „netikrame vakuume“ ir be Higgso mechanizmo (kitaip tariant, neegzistavo Higgso bozonas). Joje turėjo įvykti peršaldymo procesas, beieškant stabilios žemos energijos būsenos („tikrojo vakuumo“, kuriame Higgso mechanizmas veikia) — ir būtent tai pradėjo greitojo plėtimosi periodą.

Ar labai greito? Remiantis modeliu, Visata padvigubėdavo per 10-35 sekundės. Taip, praėjus 10-30 sekundės nuo Didžiojo sprogimo, ji spėjo padidėti 100 tūkstančių kartų, o tai visiškai paaiškino plokštumo problemą. Net jei pačioje pradžioje Visata būtų netiesi, dėl tokio plėtimosi dabar ji atrodo plokščia. (Pavyzdžiui, Žemė pakankamai didelė, kad paviršius, ant kurio stovime, atrodytų mums plokščias, nors, kaip žinia, jis išlenktas ir sudaro sferišką objektą.)

Be to, energija pasiskirsčiusi taip tolygiai, nes pačioje pradžioje buvome tik menka Visatos dalimi, kuri plėtėsi taip greitai, kad net jeigu ir buvo kokių nors energijos pasiskirstymo netolygumų, dabar jie būtų pernelyg toli nuo mūsų, kad galėtume nuo pastebėti ar aptikti. Savo ruožtu, tai išsprendžia homogeniškumo problemą.

Teorijos raida

Kaip tvirtina pats Alanas Guthas, teorijos problema buvo tai, kad kartą prasidėjusi, infliacija turėtų tęstis amžinai. Mokslininkai nerado jokių aiškesnių tokio proceso „išjungimo“ mechanizmų.

Be to, jei erdvė nuolat plėtėsi tokiu greičiu, negaliotų anksčiau išsakyta Sidney Coleman idėja. Colemanas prognozavo, kad vykstant ankstyvosios Visatos faziniams virsmams, susidarydavo maži burbulai, kurie vieni su kitais jungdavosi. Jei infliacija vyko, burbulai toltų vienas nuo kito pernelyg greitai, nespėdami apsijungti.

Į šią problemą dėmesį atkreipė sovietų fizikas Andrei Linde. Jis ją išnagrinėjo ir išsiaiškino, kad galima ir kita interpretacija, pateikianti šios problemos sprendimą. Tuo pat metu — vis dar ėjo devintasis praėjusio amžiaus dešimtmetis — kitoje geležinės uždangos pusėje panašų sprendimą savarankiškai rado Andreas Albrecht ir Paula Steinhardt.

Kabliukas buvo, kad pradiniame Gutho modelyje buvo leidžiama atsirasti daugiau nei vienai infliacijos sričiai, kurios, savo ruožtu, galėjo susidurti. Taip atsirasdavo netvarkingas kosmosas, kuriame nevienodas spinduliavimo ir materijos tankis. Tai visiškai neatitiko realybės stebėjimų. Linde, Albrechtas ir Steinhardtas pakeitė skaliarinio lauko lygtį — ir viskas stojo į savo vietas. Remiantis šiuo sprendiniu, mūsų regima Visata kilo iš vieno vakuumo burbulo, kuris atsiskyrė nuo kitų infliacinių erdvės sričių. Ir čia kalbama apie neįsivaizduojamai didelius atstumus.

Tokia skirtinga infliacijos teorija

Infliacijos teorija vadinama skiringai. Pavyzdžiui, kosmologine infliacija, kosminė infliacija, infliacija, senąja infliacija (taip vadinama pradinė Alano Gutho teorijos versija), naujoji infliacijos teorija (Linde, Albrechto ir Steinhardto sukurtas infliacijos modelis).

Taip pat dar yra du artimi teorijos variantai: chaotinė infliacijos teorija ir amžinoji infliacija. Šiose teorijose infliacijos mechanizmas radosi atsitiko ne vieną kartą – iškart po Didžiojo sprogimo, – o vyksta nuolat skirtingose erdvės vietose. Šie modeliai numato, kad nuolat sparčiai daugėja „burbulinių visatų“, kurios yra Multivisatos dalis. Kai kurie fizikai pabrėžia, kad šios prielaidos yra visose infliacinės Visatos modeliuose, todėl nelaiko šių teorijų skirtingomis.


naked-science.ru

Aut. teisės: www.technologijos.lt

(16)
(4)
(12)

Komentarai (2)