Οι προσομοιώσεις Big Bounce προκαλούν το Big Bang

Η τυπική ιστορία της γέννησης του Κόσμου έχει κάπως έτσι:Σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, μια τεράστια ποσότητα ενέργειας υλοποιήθηκε σαν από το πουθενά.

Σε μια σύντομη στιγμή ταχείας επέκτασης, αυτή η έκρηξη ενέργειας φούσκωσε τον κόσμο σαν ένα μπαλόνι. Η επέκταση ίσιωσε κάθε μεγάλης κλίμακας καμπυλότητα, οδηγώντας σε μια γεωμετρία που τώρα περιγράφουμε ως επίπεδη. Η ύλη επίσης αναμειγνύεται καλά μαζί, έτσι ώστε τώρα ο κόσμος να εμφανίζεται σε μεγάλο βαθμό (αν και όχι απόλυτα) χωρίς χαρακτηριστικά. Εδώ κι εκεί, συστάδες σωματιδίων έχουν δημιουργήσει γαλαξίες και αστέρια, αλλά αυτά είναι απλώς μικροσκοπικές κηλίδες σε έναν κατά τα άλλα άψογο κοσμικό καμβά.

Αυτή η θεωρία, την οποία τα σχολικά βιβλία αποκαλούν πληθωρισμό, ταιριάζει με όλες τις μέχρι σήμερα παρατηρήσεις και προτιμάται από τους περισσότερους κοσμολόγους. Αλλά έχει εννοιολογικές προεκτάσεις που κάποιοι βρίσκουν ανησυχητικές. Στις περισσότερες περιοχές του χωροχρόνου, η ταχεία επέκταση δεν θα σταματούσε ποτέ. Κατά συνέπεια, ο πληθωρισμός δεν μπορεί παρά να δημιουργήσει ένα πολυσύμπαν - μια τεχνικόχρωμη ύπαρξη με μια άπειρη ποικιλία συμπάντων τσέπης, ένα από τα οποία ονομάζουμε σπίτι. Για τους επικριτές, ο πληθωρισμός προβλέπει τα πάντα, πράγμα που σημαίνει ότι τελικά δεν προβλέπει τίποτα. «Ο πληθωρισμός δεν λειτουργεί όπως έπρεπε να λειτουργήσει», είπε ο Paul Steinhardt, αρχιτέκτονας του πληθωρισμού που έχει γίνει ένας από τους πιο εξέχοντες επικριτές του.

Τα τελευταία χρόνια, ο Steinhardt και άλλοι έχουν αναπτύξει μια διαφορετική ιστορία για το πώς δημιουργήθηκε το σύμπαν μας. Έχουν αναβιώσει την ιδέα ενός κυκλικού σύμπαντος:ενός σύμπαντος που περιοδικά μεγαλώνει και συστέλλεται. Ελπίζουν να αναπαράγουν το σύμπαν που βλέπουμε — επίπεδο και ομαλό — χωρίς τις αποσκευές που έρχονται με ένα χτύπημα.

Για το σκοπό αυτό, ο Steinhardt και οι συνεργάτες του συνεργάστηκαν πρόσφατα με ερευνητές που ειδικεύονται σε υπολογιστικά μοντέλα βαρύτητας. Ανέλυσαν πώς ένα σύμπαν που καταρρέει θα άλλαζε τη δομή του και τελικά ανακάλυψαν ότι η συρρίκνωση μπορεί να νικήσει τον πληθωρισμό στο δικό του παιχνίδι. Ανεξάρτητα από το πόσο παράξενο και στριμμένο φαινόταν το σύμπαν προτού συσπαστεί, η κατάρρευση θα εξαφάνιζε αποτελεσματικά ένα ευρύ φάσμα αρχέγονων ρυτίδων.

«Είναι πολύ σημαντικό, αυτό που ισχυρίζονται ότι έχουν κάνει», είπε ο Λεονάρντο Σενατόρε, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που έχει αναλύσει τον πληθωρισμό χρησιμοποιώντας παρόμοια προσέγγιση. Υπάρχουν πτυχές της δουλειάς που δεν είχε ακόμη την ευκαιρία να διερευνήσει, είπε, αλλά με την πρώτη ματιά «φαίνεται ότι το έχουν κάνει».

Συμπίεση της προβολής

Τον τελευταίο ενάμιση χρόνο, μια νέα άποψη του κυκλικού ή «εκπυρωτικού» σύμπαντος προέκυψε από μια συνεργασία μεταξύ του Steinhardt, της Anna Ijjas, κοσμολόγου στο Ινστιτούτο Βαρυτικής Φυσικής Max Planck στη Γερμανία, και άλλων. επιτυγχάνει ανανέωση χωρίς κατάρρευση.

Όταν πρόκειται για την οπτικοποίηση της διαστολής και της συστολής, οι άνθρωποι συχνά εστιάζουν σε ένα σύμπαν που μοιάζει με μπαλόνι, του οποίου η αλλαγή στο μέγεθος περιγράφεται από έναν «παράγοντα κλίμακας». Αλλά ένα δεύτερο μέτρο - η ακτίνα Hubble, η οποία είναι η μεγαλύτερη απόσταση που μπορούμε να δούμε - γίνεται μικρή μετατόπιση. Οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας τις αφήνουν να εξελιχθούν ανεξάρτητα και, το σημαντικότερο, μπορείτε να ισοπεδώσετε το σύμπαν αλλάζοντας ένα από τα δύο.

Φανταστείτε ένα μυρμήγκι σε ένα μπαλόνι. Ο πληθωρισμός είναι σαν να ανατινάζεις το μπαλόνι. Βάζει το βάρος της εξομάλυνσης και της ισοπέδωσης κυρίως στον διογκούμενο σύμπαν. Στο κυκλικό σύμπαν, ωστόσο, η εξομάλυνση συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας περιόδου συστολής. Κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής, το μπαλόνι ξεφουσκώνει μέτρια, αλλά η πραγματική δουλειά γίνεται από έναν δραστικά συρρικνούμενο ορίζοντα. Είναι σαν το μυρμήγκι να βλέπει τα πάντα μέσα από έναν όλο και πιο ισχυρό μεγεθυντικό φακό. Η απόσταση που μπορεί να δει συρρικνώνεται και έτσι ο κόσμος του γίνεται όλο και πιο χωρίς χαρακτηριστικά.

Ο Steinhardt και η εταιρεία φαντάζονται ένα σύμπαν που διαστέλλεται για ίσως ένα τρισεκατομμύριο χρόνια, οδηγούμενος από την ενέργεια ενός πανταχού παρόντος (και υποθετικού) πεδίου, του οποίου τη συμπεριφορά αποδίδουμε αυτήν τη στιγμή στη σκοτεινή ενέργεια. Όταν αυτό το ενεργειακό πεδίο γίνεται τελικά αραιό, ο κόσμος αρχίζει να ξεφουσκώνει απαλά. Σε δισεκατομμύρια χρόνια, ένας συρρικνούμενος παράγοντας κλίμακας φέρνει τα πάντα λίγο πιο κοντά, αλλά όχι μέχρι ένα σημείο. Η δραματική αλλαγή προέρχεται από την ακτίνα Hubble, η οποία εισέρχεται ορμητικά και τελικά γίνεται μικροσκοπική. Η συστολή του σύμπαντος επαναφορτίζει το ενεργειακό πεδίο, το οποίο θερμαίνει τον κόσμο και εξατμίζει τα άτομά του. Ακολουθεί αναπήδηση και ο κύκλος ξεκινά εκ νέου.

Στο μοντέλο αναπήδησης, η μικροσκοπική ακτίνα Hubble εξασφαλίζει ομαλότητα και επιπεδότητα. Και ενώ ο πληθωρισμός ανατινάζει πολλές αρχικές ατέλειες σε γιγάντια οικόπεδα ακίνητης περιουσίας από πολλά σύμπαν, η αργή συστολή ουσιαστικά τις αποκλείει. Μας έχει μείνει ένας κόσμος που δεν έχει αρχή, τέλος, ιδιομορφία στο Big Bang και πολυσύμπαν.

Από οποιοδήποτε Κόσμο στο δικό μας

Μια πρόκληση τόσο για τον πληθωρισμό όσο και για τις κοσμολογίες αναπήδησης είναι να δείξουν ότι τα αντίστοιχα ενεργειακά πεδία τους δημιουργούν το σωστό σύμπαν ανεξάρτητα από το πώς ξεκινούν. «Η φιλοσοφία μας είναι ότι δεν πρέπει να υπάρχει φιλοσοφία», είπε ο Ijjas. "Ξέρετε ότι λειτουργεί όταν δεν χρειάζεται να ρωτήσετε υπό ποιες συνθήκες λειτουργεί."

Αυτή και ο Steinhardt επικρίνουν τον πληθωρισμό ότι κάνει τη δουλειά του μόνο σε ειδικές περιπτώσεις, όπως όταν το ενεργειακό του πεδίο σχηματίζεται χωρίς αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά και με μικρή κίνηση. Οι θεωρητικοί έχουν διερευνήσει αυτές τις καταστάσεις πιο διεξοδικά, εν μέρει επειδή είναι τα μόνα παραδείγματα που μπορούν να εξεταστούν με τα μαθηματικά του πίνακα κιμωλίας. Σε πρόσφατες προσομοιώσεις υπολογιστή, τις οποίες περιγράφουν οι Ijjas και Steinhardt σε ένα ζευγάρι προεκτυπώσεων που δημοσιεύτηκαν στο διαδίκτυο τον Ιούνιο, η ομάδα δοκίμασε το μοντέλο αργής συστολής τους με μια σειρά από μωρά σύμπαντα πολύ άγρια ​​για ανάλυση με στυλό και χαρτί.

Προσαρμόζοντας τον κώδικα που αναπτύχθηκε από τον Frans Pretorius, έναν θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που ειδικεύεται στα υπολογιστικά μοντέλα της γενικής σχετικότητας, η συνεργασία εξερεύνησε στριμμένα και ογκώδη πεδία, πεδία που κινούνται προς τη λάθος κατεύθυνση, ακόμη και πεδία γεννημένα με μισά που αγωνίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σχεδόν σε κάθε περίπτωση, η συστολή δημιούργησε γρήγορα ένα σύμπαν τόσο βαρετό όσο το δικό μας.

«Το άφησες να φύγει και — μπαμ! Σε μερικές κοσμικές στιγμές αργής συστολής φαίνεται λείο σαν μετάξι», είπε ο Steinhardt.

Η Κέιτι Κλαφ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, η οποία επίσης ειδικεύεται στις αριθμητικές λύσεις της γενικής σχετικότητας, αποκάλεσε τις νέες προσομοιώσεις «πολύ περιεκτικές». Ωστόσο, σημείωσε επίσης ότι οι υπολογιστικές πρόοδοι μόλις πρόσφατα κατέστησαν δυνατή αυτού του είδους την ανάλυση, επομένως το πλήρες φάσμα των συνθηκών που μπορεί να χειριστεί ο πληθωρισμός παραμένει αχαρτογράφητο.

"Ήταν ημι-καλυμμένο, αλλά χρειάζεται πολύ περισσότερη δουλειά", είπε.

Ενώ το ενδιαφέρον για το μοντέλο του Ijjas και του Steinhardt ποικίλλει, οι περισσότεροι κοσμολόγοι συμφωνούν ότι ο πληθωρισμός παραμένει το παράδειγμα που πρέπει να νικηθεί. «[Η αργή συστολή] δεν είναι ισότιμος υποψήφιος σε αυτό το σημείο», είπε ο Gregory Gabadadze, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

Στη συνέχεια, η συνεργασία θα εμπλουτίσει την ίδια την αναπήδηση - ένα πιο περίπλοκο στάδιο που απαιτεί νέες αλληλεπιδράσεις για να τα ξεχωρίσει ξανά. Η Ijjas έχει ήδη μια θεωρία αναπήδησης που αναβαθμίζει τη γενική σχετικότητα με μια νέα αλληλεπίδραση μεταξύ ύλης και χωροχρόνου, και υποψιάζεται ότι υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί. Σκοπεύει να βάλει το μοντέλο της στον υπολογιστή σύντομα για να κατανοήσει τη συμπεριφορά του λεπτομερώς.

Η ομάδα ελπίζει ότι αφού κολλήσουν τα στάδια συστολής και διαστολής μεταξύ τους, θα εντοπίσουν μοναδικά χαρακτηριστικά ενός σύμπαντος που αναπηδά που θα μπορούσαν να εντοπίσουν οι αστρονόμοι.

Η συνεργασία δεν έχει επεξεργαστεί κάθε λεπτομέρεια ενός κυκλικού σύμπαντος χωρίς κρότους και χωρίς κρότους, πολύ περισσότερο να δείξει ότι ζούμε σε έναν. Αλλά ο Steinhardt αισθάνεται τώρα αισιόδοξος ότι το μοντέλο θα προσφέρει σύντομα μια βιώσιμη εναλλακτική λύση στο πολυσύμπαν. «Τα οδοφράγματα για τα οποία ανησυχούσα περισσότερο έχουν ξεπεραστεί», είπε. "Δεν με κρατάνε πια ξύπνιοι."

Σημείωση του συντάκτη:Μέρος αυτής της έρευνας χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης του Simons Foundation δεν παίζουν κανένα ρόλο στην κάλυψή μας. Περισσότερες λεπτομέρειες είναι διαθέσιμες εδώ .

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .