Sveiki atvykę į penktąją dimensiją: Visatą gali ištikti ne pabaiga, bet būsena, kuriai apibūdinti kol kas neturime netgi žodžių (2)

2019-08-15

Geriausi kosmologijos modeliai rodo, kad Visata arba amžinai plėsis, arba su­si­trauks arba su­driks į sku­telius. Iškelta nau­ja prie­laida rodo dar keis­tes­nę ga­li­mą baig­tį.

Po trilijonų metų, daug vėliau nei Saulė apglėbs Žemę ir susitrauks į blankų savo pačios atvaizdą, visata išeis ramaus poilsio. Dėl nuolatinio ir vis spartėjančio plėtimosi, kadaise gretimi galaktikų spiečiai ims tolti nuo kits kito taip sparčiai, kad net šviesa nespės įkandin. Žvaigždžių žaizdruose sudegs paskutinis kuras ir jos mirs. Kosmosą apgaubs tamsa.

Ar bent jau taip teigia populiariausias scenarijus. Šaltas, vienišas šio „didžiojo sušalimo“ nemirtingumas yra tiesioginė geriausio turimo visatos aprašymo – standartinio kosmologijos modelio – pasekmė. Jis priklauso nuo daugybės prielaidų, tarp kurių ne paskutinėje vietoje ir tai, kad tamsioji energija, paslaptinga jėga, kaip manoma, kelianti spartėjantį visatos plėtimąsi, visados išliks tokio paties stiprumo.

Bet kai kurie kosmologai mano, kad užuot amžinai likusi tokio paties stiprio, tamsioji energija ilgainiui gali silpti, dėl ko visata sukris į save, kolapsuos didžiajame suspaudime – didžiojo sprogimo priešingybėje. Kitiems kosmologams labiau tikėtina atrodo tamsiosios energijos stiprėjimo perspektyva, tiesianti kelią į visatą, besiplečiančią taip greitai, kad suirs net pats erdvėlaikio audinys. Tokia baigtis vadinama didžiuoju suplyšimu.

Šaltis, suspaudimas ar suplyšimas? O gal nė vienas iš šių dalykų? Ketvirtoji galimybė yra stulbinama naujausių visatos lemties tyrimų išvada. Pasitelkiant kitas, be tamsiosios energijos, paslaptingas kosmosą valdančias jėgas, ji rodo gerokai keistesnį siužeto posūkį: visatą gali ištikti ne pabaiga, bet būsena, kuriai apibūdinti kol kas neturime netgi žodžių.

Tamsioji energija yra svarbiausias modernios kosmologijos atradimas. XX amžiaus paskutinio dešimtmečio gale astronomai išsiaiškino, kad visatos plėtimasis, užuot ilgainiui lėtėjęs, spartėja. Iš pradžių šią energiją bandyta priskirti paties erdvėlaikio vakuumo energijai, tuščioje erdvėje spontaniškai atsirandančioms ir tuojau pat išnykstančioms virtualių dalelių poroms.

Bet paskaičiavus vakuumo energiją, remiantis kvantinės mechanikos principais, ji pasirodo esanti neįmanomai didelė. „Vakuumo ernegija būtų įgreitinusi visatą iki tokių mastų, kad pirmosios žvaigždės ir galaktikos nebūtų nė susiformavusios,“ sako Catherine Heymans, kosmologė iš Edinburgho universiteto, JK. Kad išvengtų šios probklemos, fizikai manė galį sugalvoti tokius kvantinius procesus, kurie vienas kitą panaikintų, ir vakuumo energija būtų nulinė. Teorinėje fizikoje „santykinai lengva ką nors sunulinti“, pastebi Heymans.

Bet tamsioji energija ir, tam tikra prasme, vakuumo energija, pasirodė nesanti lygi nuliui. Dauguma stebėjimų rodo, kad mūsų visatos erdvėlaikio kokio nors tūrio vakuumo energija – tamsiosios energijos tankis – laikui bėgant nekinta. Tai dažnai vadinama kosmologine konstanta, ir naudojama apibrėžti tamsiosios energijos stiprį. Tačiau paaiškinti jos beveik nulinę, tačiau teigiamą, reikšmę pasirodė itin sunku.

Tokie kunkuliuojantys vandenys buvo ideali aplinka rastis kitam bandymui aprašyti visatos prigimtį: stygų teorijai. Iš pradžių atsiradusi kaip būdas paaiškinti atomų branduolius valdančias jėgas, netrukus ji tapo kvantinės gravitacijos karkasu. Kvantinės gravitacijos teorijos siekia naujų įžvalgų apie visatą, apjungdamos labai didelius objektus ir gravitaciją aprašančią bendrąją reliatyvumo teoriją su kvantine mechanika, kurios dėsniams paklūsta labai maži objektai.

Mazguotos problemos

Dešimtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje stygų teorija tapo vienu iš pirmaujančių pretendentų į tokios visko teorijos titulą. Užuot aprašiusi visatą kaip sudarytą iš fundamentalių dalelių, stygų teoriją apibūdina ją kaip sudarytą iš neįsivaizduojamai plonų gijų, virpančių 10-yje dimensijų, devynių erdvės ir vienos – laiko. Kad teorija atitiktų mūsų stebimą erdvėlaikį su trimis erdvės matmenimis ir viena laiko dimensija, papildomos erdvės dimensijos turi būti „kompaktifikuotos“, tokios mažos, kad praktiškai neaptinkamos. Kiekvienas kompaktifikavimo metodas reiškia kitokią visatą. Rasti unikalų, mūsų visatą apibrėžiantį sprendimą buvo išties didelis iššūkis.

Kilo problemų. Visata, kurioje gyvename ir kurioje tamsiąją energiją atstovauja maža, teigiamo dydžio kosmologinė konstanta, yra vadinama de Sitter erdvėlaikiu. Ir nepaisant viso jos perspektyvumo, naudojant stygų teoriją sukurti visatą, paprasčiausiai kompaktifikuojant papildomas dimensijas, fizikams sekėsi sunkiai.

Tada, 2003 metais, Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde ir Sandip Trivedi (kartu vadinami KKLT) sumąstė sudėtingą būdą iš stygų teorijos sukurti mūsišką erdvėlaikį. Jų darbas vadintas teorijos triumfu, bet jo kaštai – didžiuliai.

Stygų teorija veikia su aukštomis energijomis, kokios egzistavo iškart po Didžiojo Sprogimo. Norint aprašyti konkretų erdvėlaikį dabartinėmis, mažesnėmis energijomis, stygų teorija turi būti naudojama vadinamojo efektyvaus laiko teorijos paieškoms. Tikslus erdvėlaikis, gaunamas, naudojant KKLT konstrukciją, priklauso nuo to, kaip papildomos dimensijos kompaktifikuojamos ir kaip per šias geometrijas teka magnetiniai ir elektriniai laukai. Ir 2005 metais stygų teoretikai parodė, kad tai gali būti atlikta mažiausiai 10⁵⁰⁰ būdų, ir kiekvienas iš jų reikštų skirtingą veikiantį de Sitter erdvėlaikį. Toks rezultatas reiškė visą potencialių visatų aibę, multivisatą, kurioje gali egzistuoti visi įmanomi erdvėlaikiai. Nors KKLT pasiūlė efektyvų lauko teorijos, aprašančios de Sitter erdvėlaikį, kūrimo būdą, tačiau jis negalėjo pateikti mūsų erdvėlaikį aprašančios tikslios teorijos.

Sveiki atvykę į Pelkynus

Šis faktas nedavė ramybės Cumrun Vafa, stygų teoretikui iš Harvardo universiteto. Ne todėl, kad tokia visatų aibė jam rodytųsi problematiška: „Nejaučiu tam jokios alergijos,“ sako jis. Jo netenkino pati KKLT konstrukcija. Negana to, kad nepateikė norimo rezultato, jo manymu, KKLT pasiūlymas pernelyg matematiškai sudėtingas, kad jį būtų galima patikrinti: kiti turėjo tiesiog patikėti, kad metodas veikia.

Vafa pažvelgė į šį klausimą kitu kampu, – ar visos įmanomos lauko teorijos gali rastis iš stygų teorijos, o gal stygų teorija tam tikrus variantus, taigi ir visatų tipus, draudžia. Jis suvokė, kad jeigu stygų teorija nori likti visko teorijos pretendente, ji turėtų atmesti lauko teorijas, kurios tiksliai neaprašo mūsų visatos su gravitacija. Tokie variantai turėtų būti iškart atsidurti draudžiamoje stygų peizažo zonoje. Vafa šią zoną pavadino Pelkynu, klampiu nepagrįstų idėju raistu.

„Visatą gali ištikti ne pabaiga, bet būsena, kurios apibūdinimui dabartinėje visatoje kol kas neturime netgi žodžių.”

Pelkyno idėja dešimtmetį dulkėjo stalčiuje, sako stygų teoretikas Eran Palti iš Max Planck fizikos instituto Miunchene, Vokietijoje. O tada, 2014 metų kova, kosmologai Pietų ašigalyje įrengtu BICEP2 telesklopu netyčia grąžino ją į dėmesio centrą. Jie teigė užfiksavę pirminių gravitacinių bangų, sukurtų pirmomis sekundės dalimis po Didžiojo Sprogimo vykusio eksponentinio erdvės plėtimosi – infliacijos – pėdsakus. Tai būtų buvęs pirmasis erdvėlaikio audinio bangavimo, kurį numatė Einsteino BRT, užfiksavimas. Kosmologų džiaugsmui nebuvo ribų. Bet stygų teoretikai nuleido rankas. Jų teorija tokių gravitacinių bangų sukurti negalėjo.

O būtent, stygų teorijos modeliai, kurie būtų galėję paaiškinti BICEP2 gravitacines bangas, turėjo pašalinį efektą – sustabdydavo infliaciją anksčiau laiko. „Tokio masto pirminės gravitacinės bangos labai nedera su stygų teorija,“ sako Palti. Kitaip tariant, jas numatančios lauko teorijos gali būti draudžiamame Pelkyne.

Tačiau 2015 m. sausį, BICEP2 tyrėjai savo teiginių atsisakė. Signalus, kuriuos jie palaikė gravitacinių bangų pėdsakais, sukėlė dulkės Paukščių Take, kurių poveikis nebuvo tinkamai įvertintas. Tačiau šis fiasko buvo gera žinia kai kuriems stygų teoretikams – parodė, kad jų teorijos, neigusios tokių bangų galimybę, buvo teisingos. Vafa'o Pelkyno spėjimas įveikė svarbų išbandymą. „Tai atgaivino jo idėją,“ sako Palti.

Tada Vafa pasiūlė dar kai ką, kas jo spėjimui galėjo tapti šūviu į ranką. „Tai, kad nutiko praėjusią vasarą, buvo stulbinama,“ sako Andrei Linde iš Stanfordo universiteto Kalifornijoje.

Po beveik dviejų dešimtmečių nepavykusių pastangų sukurti kokį nors paprastą de Sitter erdvėlaikio modelį, Vafa susimąstė, kad gal toks dalykas iš tiesų yra visai neįmanomas. Jis su bendradarbiais iškėlė vadinamą de Sitter spėjimą, drąsiai spekuliuodami, kad efektyvios lauko teorijos, galinčios aprašyti mūsų visatą, kur tamsioji energija yra kosmologinė konstanta, priklauso Pelkynui. De Sitter visata negali būti stygų teorijos lygčių sprendiniu.

Linde šis de Sitter spėjimas tik tai ir yra, – spėjimas, neįrodytas paaiškinimas. Kol bus įrodytas spėjimo teisingumas, jis laikosi KKLT konstrukcijos ir jos teiginio, kad visatą su kosmologine konstanta stygų teorija aprašyti gali. „Tai sudėtinga istorija. Nereikėtų, remiantis neįrodytais argumentais, staiga atmesti to, kas jau nuveikta“, sako jis.

De Sitter spėjimas „gali būti teisingas arba ne“, pritaria Vafa. „Išsiaiškinsime, nuodugniau tai ištyrę.“ Jeigu bus įrodytas jo teisingumas, tai reikš rimtas pasekmes standartiniam kosmologijos modeliui. Ir ne pati menkiausia iš jų, pasak Vafa ir kitų, – kad tamsiosios energijos tankis, remiantis pirmais vertinimais, yra ne pastovus, o ilgainiui mažėja.

Jei taip yra iš tiesų, pasekmės būtų kuo rimčiausios, sako stygų teoretikas Timm Wrase iš Vienos technologijos universiteto Austrijoje: „Implikacijos visatos lemčiai tikrai būtų milžiniškos.“ Per kitas dešimtis milijardų metų tamsioji energija gali susitraukti iki nulio ar net tapti neigiama. „O tada visata gal baigtųsi didžiuoju griuvimu, užuot amžinai plėtusis.“

Tokia kintančios tamsiosios energijos forma vadinama kvintesencija. Ši idėja buvo gan populiari dar prieš kosmologinei konstantai tampant „dienos patiekalu“.

Linde vienas pirmųjų ėmėsi kurti kvintesencijos modelius, bet jis nėra įsitikinęs. „Kvintesencija įmanoma, bet ji sukelia daugiau problemų, nei išsprendžia,“ pažymi jis.

Tik kad visata gal šia kryptimi jau juda. Per pastaruosius kelis metus radosi užuominų, kad kintantis tamsiosios energijos tankis iš tiesų gali išspręsti stulbinamą kosmologinį konfliktą.

Šis konfliktas randasi dviem būdais matuojant dabartinį visatos plėtimosi greitį, vadinamąją Hubble'o konstantą, H₀. Vienu metodu jis matuojamas tiesiogiai, tiriant gretimų galaktikų žvaigždes ir supernovas. Kitu – tiriamas kosminis mikrobangų fonas, pirmoji visatos šviesa, kuri buvo išspinduliuota maždaug po 380 000 metų nuo Didžiojo Sprogimo, kai visata pasidarė skaidri, o tada ekstrapoliuojant tuos duomenis į dabartinę visatą. Šiais metodais gauti rezultatai gerokai skiriasi.

Didysis posūkis

Nors šis neatitikimas galėtų būti kilęs dėl eksperimento klaidos, jį taip pat būtų galima išspręsti leidus tamsiajai energijai kisti, laikant ją kvintesencijos forma.

Manote, Vafa'o idėjomis sekančių stygų teoretikų širdis šios naujienos pripildė džiugesio? Kad tik ne… „Įtampa H₀ ir de Sitter Pelkyno spėjime eina priešingomis kryptimis,“ sako Wrase. Jei de Sitter spėjimui reikia, kad tamsiosios energijos tankis ilgainiui mažėtų, Hubble'o konstantos problema išsprendžiama tik jei tankis auga.

Kalbant apie visatos ateitį, didėjantis tamsiosios energijos tankis rodytų, kad jos laukia didysis suplyšimas, o ne griuvimas. „Tai – siaubo šou versija,“ sako Adam Riess iš Johns Hopkins universiteto Marylande, vienos iš Hubble'o konstantą tiriančių grupių vadovas. Galiausiai kiekviename erdvėlaikio gabalėlyje būtų tiek tamsiosios energijos, kad jos stūmimo jėga suplėšytų viską: galaktikas, planetas, molekules, atomus ir galų gale – patį erdvėlaikį. „Pastangos pasipriešinti tamsiajai energijai bergždžios,“ pažymi jis.

Taigi, regis, grįžome ten, kur pradėjome, prie konfliktuojančių tamsiosios energijos mažėjimo, pastovumo ir didėjimo idėjų, ir nuo to priklausančios visatos lemties. Ir būtent čia, Vafa'o įsitikinimu, galima būtų sutaikyti Pelkyno spėjimą su H₀ prieštaringumu.

Be tamsiosios energijos, dar vienas neregimas visatos komponentas yra tamsioji materija, substancija, kurios gravitacija, kaip manoma, laiko galaktikas ir galaktikų spiečius drauge. Jei tamsioji energija silpsta, tai paveiks ir tamsiąją materiją, tvirtina Vafa. „Stygų teorija teigia, kad sąveika turėtų būti.“ Jis su kolegomis atrado, kad ši sąveika mažina tamsiosios materijos dalelių masę. O tai keičia ekstrapoliuotą Hubble'o konstantos vertę ir mažina neatitikimą. „Nebandėme išspręsti H₀ neatitikimo, bet jis vis viena sumažėjo,“ sako jis. „O tai visai ne trivialus dalykas.“

Ar tai reiškia, kad visatos visgi laukia didysis sušalimas, o ne didysis sugriuvimas ar ne ką mažesnis suplyšimas? Ne visai. Pažvelkite atidžiau ir Vafa'o idėjų šviesoje visi kiti visatos finalai atrodys romūs kaip ėriukai – iš jų darytina išvada, kad po dešimčių milijardų metų visata radikaliai transformuosis. „Stygų teorijoje tai paprastai reiškia naujos dimensijos atsivėrimą. Taigi, tai yra visiškai nauja visata, kurios neįmanoma apibūdinti dabartinės mūsų visatos kalbos terminais,“ sako jis. „Dabar gyvename trijų matmenų erdvėje. Šioje naujoje teorijoje gali būti, pavyzdžiui, keturios erdvės dimensijos.“

Bet koks naujas erdvės mat­muo būtų stygų teorijos pa­pil­do­mų mat­menų iš­si­komp­ak­ti­fi­ka­vi­mo pasekmė. Iš tokios kebeknės kilusi visata būtų visai nepanaši į mūsiškę. „Būtų visiškai nauja fazė,“ pažymi Vafa. Tad, nors visata tebegzistuotų, neaišku, kokios būtų jos savybės ir kokia tolesnė jos vystymosi trajektorija. „Reikia išsiaiškinti daugiau detalių, kad galėtume pasakyti, kas gali nutikti,“ pažymi Vafa. „Niekaip negalime tiksliai žinoti, kaip atrodys ta naujoji fazė.“

Debatus išspręsti galėtų padėti eksperimentai, susiaurinantys tamsiosios energijos prigimties ribas. Stygų teoretikai nenuleis nuo jų akių. Po dešimtmečių priekaištų dėl nors kokių patikrinamų prognozių nepateikimo, dabar jos – tegul ir bendrais bruožais – jau ranka pasiekiamos. Pavyzdžiui, jei stygų teoretikai įrodytų de Sitter spėjimą, tai reikštų prognozę, kad standartinės kosmologijos mėgiamas ir nagrinėjamas erdvėlaikis egzistuoti negali. Bet jei eksperimentai pateiks neginčijamus kosmologinę konstantą ir de Sitterio vakuumą mūsų visatoje remiančius įrodymus, „galėsime sakyti, kad stygų teorija neteisi“ sako Palti.

Kas benutiktų, visatos ateitis neatrodo nuobodi.

Aut. teisės: www.technologijos.lt

(34)
(8)
(26)

Komentarai (2)