7. Ciklično vesolje

Neil Turok, Paul J. Steinhardt in kaj je počilo?

Začetna motivacija za ciklično hipotezo izvira iz teorije strun in njenega razvoja, ki se imenuje M-teorija. Ti sta trenutno naša najboljša poskusa poenotenja vseh zakonov fizike v en sam matematični okvir, ki je tako matematično kot logično konsistenten, poleg tega pa konsistenten tudi z vsem, kar vemo o svetu. Resničen preizkus M-teorije je videti kot zmožnost, da lahko opiše kozmologijo.

Ciklična podoba vesolja je hipoteza Neil Turoka in Paula Steinhardta. Gre pravzaprav za zelo enostavno idejo. V M-teoriji nastopajo »brane«. »Brana« je okrajšava za »membrano«. Lahko imate enodimenzionalno brano, ki je struna; lahko imate dvodimenzionalno brano, ki je membrana ali ploskev kot milni mehurček; tridimenzionalno brano, ki je prostor, v kakršnem živimo; ali štiridimenzionalno brano; in tako naprej do desetih dimenzij. Svet je v skladu s to razlago desetdimenzionalna brana, ki vsebuje brane nižjih dimenzij. Tega nihče ni resno poskusil uporabiti v kozmologiji. Razvila sta idejo, da je namreč način, kako iz desetdimenzionalne M-teorije priti do resničnega sveta, ta, da se znebimo sedmih dimenzij, tako da jih šest zvijemo v žogico. Predstavljati si morate, da bi lahko v vsaki točki te sobe, če bi si jo le lahko ogledal z dovolj močnim mikroskopom, dejansko zagledal žogico šestih dodatnih dimenzij. Podobno je pri preprogi: če jo pogledam od daleč, vidim le njeno površino, a če jo pogledam od blizu, vidim, kako je stkana. Najbolj zanimivo pa je, da obstaja sedma dimenzija, ki je še bizarnejša. Sedma dimenzija je vrzel, vrzel med dvema objektoma, ki sta tridimenzionalni brani. V skladu s to podobo sveta torej obstaja tridimenzionalna brana, v kateri živimo – to je naš svet, delci, iz katerih smo, potujejo po tej brani, svetloba potuje po tej brani. A čisto zraven je še ena brana. Ti brani se imenujeta »brani konec sveta«, kar pomeni, da sta konec sedme dimenzije, onstran njiju ni ničesar, sta skoraj kot ogledali. Svet je torej kot sendvič, zunaj katerega ni nič, sedma dimenzija prostora ločuje dve tridimenzionalni brani, v eni od katerih živimo mi, v sleherno točko teh tridimenzionalnih bran pa je spodvitih še šest dimenzij. Kaj bi se zgodilo, če bi ti dve tridimenzionalni brani trčili? Kako bi bilo to videti? Moral bi biti precej silovit dogodek, kajti celotna sedma dimenzija bi za trenutek izginila, po drugi strani pa se tridimenzionalni brani pri trčenju ne bi skrčili v točko, enostavno bi se zaleteli.

Big Bang (Veliki pok) ni eksplozija prostora in časa iz točke

Tako je, ponuja se drugačna možnost razlage velikega poka, po kateri prostor, v katerem živimo, ni bil skrčen v točko; vse, kar se je zgodilo, je bil trk med drugim svetom in našim. Matematični prikaz tega dogodka pokaže, da se trk bran, če ga poskušate razložiti z uporabo Einsteinove teorije gravitacije, dejansko zdi kot veliki pok; pravzaprav je veliki pok, le da v Einsteinovi teoriji ni popolnega opisa bran. Ko pa dodate ta element, ugotovite, da se prostor pri velikem poku ne skrči v točko, ostane razsežen. Zdaj se vam ponuja možnost fizikalnega mehanizma, ki je povzročil veliki pok in je opisljiv. V fiziki namreč vedno uporabljamo diferencialne enačbe, uporabimo različne sosednje točke. Če imate samo eno točko, ne morete sestaviti diferencialne enačbe, zato ste že od začetka izgubljeni. Če pa imate sliko velikega poka in veste, da je šlo za dogodek, ki se je zgodil v razsežnem prostoru, lahko opišete fizikalni mehanizem, ki je pok povzročil. Tako je vzniknil ciklični model – poskus opisati singularnost velikega poka. Lahko bi šlo za trk teh dveh bran. To pomeni, da je čas obstajal že tudi pred velikim pokom. A seveda, če ti brani lahko trčita enkrat, potem lahko trčita znova. Prvotni model imenovan ekpyrotični model, pokaže, da bi se veliki pok lahko zgodil večkrat, pravzaprav nedoločljivo mnogokrat, zato se model imenuje ciklični model.

Kaj pa je z vsemi dodatnimi dimenzijami?

V skladu z našim trenutnim razumevanjem zakonov fundamentalne fizike in najboljšimi teorijami poenotenja, kot je M-teorija, zakone fizike, kakor jih vidimo v treh dimenzijah, v veliki meri določata velikost in oblika dodatnih dimenzij. Gre za precej zapleteno konfiguracijo, ki jo lahko matematično proučujemo. Podrobna konfiguracija dodatnih dimenzij dejansko določa fizikalne zakone. Zanimivo je, da ne le da fizikalni zakoni vladajo vesolju, temveč tudi vesolje vlada fizikalnim zakonom! Z drugimi besedami: konfiguracija vesolja določa, kakšni so zakoni, ki vladajo vesolju. Vse je zelo samonanašajoče! Če hočemo razumeti kozmologijo, ki je proučevanje strukture vesolja, moramo vključiti tudi teh šest dodatnih dimenzij. Če pa razumemo to strukturo, potem dejansko razumemo vso fiziko. Struktura vesolja določa vso fiziko. Potem se vprašate: od kod vse to izvira? Kaj je določilo to strukturo? Kateri fizikalni proces? No, seveda, vse skupaj izvira iz velikega poka. Pri velikem poku torej ni dovolj, da proučujete vrzel med branama, ki povzroči njun trk, temveč v tem procesu nekaj počne tudi preostalih šest dimenzij. In vsa stvar mora biti matematično konsistentna! Ko enkrat razumete veliki pok, boste morda razumeli ne le, zakaj je vesolje nastalo s strukturo, kakršno ima, temveč tudi, zakaj je struktura šestih dimenzij takšna, kakršna je. In potem ste razumeli vso fiziko. Zanimivo je, kako vsa ta vprašanja pravzaprav postanejo eno samo vprašanje. In to vprašanje je: Kaj je počilo?

7. dimenzija, vrzel med svetovi

Kje je? Povsod! Sleherna točka našega tridimenzionalnega sveta je le 10-30 metrov oddaljena od ustrezne točke v sosednjem, zrcalnem svetu, ki je na drugem koncu sedme dimenzije. Od njega nas ločuje neizmerljivo majhna razdalja. Zanimivo se je vprašati, ali na to dodatno dimenzijo kaže še kaj drugega. Pravzaprav se je ideja o sedmi dimenziji izvorno porodila zato, ker v naravi obstaja čudna asimetrija. Levosučni objekti niso enaki kot desnosučni. Vzemimo za primer nevtrine, določeno vrsto osnovnih delcev, ki imajo zelo neznatno maso: nevtrini so samo levosučni. Vsi, kar smo jih kdaj opazovali v poskusih, so levosučni. Ni desnosučnih nevtrinov. Antinevtrini so desnosučni, a nevtrini so levosučni. Vedno je bila uganka, zakaj je narava asimetrična. Prvotni razlog za uvedbo modela dveh bran je bil to, da so lahko levosučni gospodiči na naši brani, desnosučni pa na drugi brani, in tako se matematično vse izide.

Snov in sevanje ne moreta prečkati meje, ki nas ločuje od drugega sveta, a obstaja nekaj, kar povezuje obe brani – to je gravitacija. Temna snov je gravitacija, ki jo povzroča druga brana!

Temna snov bi lahko bila snov na drugi brani. Snov ene brane na snov druge deluje le prek gravitacije. Temna snov bi bila torej na drugi brani, mi bi bili na tej brani, gravitacija pa bi delovala skozi vrzel med branama. Način, kako po Einsteinu razumemo gravitacijo, je, da je gravitacija pravzaprav ukrivljenost prostora. Prostor ni toga substanca, lahko se ukrivi – in ukrivljenost prostora je natanko gravitacijska sila. Imate torej ti dve brani; snov, ki se giblje na eni brani, deformira prostor med branama in gravitacija se prenaša skozi vrzel do druge brane in tako temna snov vpliva na nas. To je precej lična razlaga, saj predvideva, da naj bi obstajala temna snov, predvideva pa tudi, da naj bi bila ta snov zaznavna le prek gravitacije, kar se sklada z opazovanji. Vidimo galaksijo z zvezdami, ki krožijo naokrog, zdi se, da mora biti tam nekaj temne snovi, a temne snovi ne moremo videti, ker svetloba in temna snov ne delujeta ena na drugo. Svetloba se premika le po naši brani. Nesrečna reč pri tej razlagi je, da jo je, tudi če je resnična, zelo težko preveriti. Ker je temna snov zaznavna edino prek učinka gravitacije, je ne moremo izdelati v laboratorijih. To neznansko presega energije, ki jih trenutno v laboratorijih lahko dosežemo. To je še dodatni razlog, da se osredotočimo na veliki pok. Kajti vemo, da se je veliki pok zgodil, njegove posledice lahko izmerimo na mnogo načinov, to pa lahko uporabimo, da preverimo, ali ta teorija drži.

Kako lahko to preverimo?

Obstaja neposreden način, kako preveriti, ali je bil veliki pok trk bran – to je z uporabo gravitacijskih valov. Gravitacijski valovi so neznatni valovi, ki potujejo s svetlobno hitrostjo. Nikoli jih nismo neposredno zaznali, ampak v naslednjih desetih letih jih bomo zagotovo izmerili. Ko jih bomo, bo to novo okno v vesolje, videli bomo zaletavanje črnih lukenj … Raznovrstne silovite pojave bomo lahko videli neposredno, kajti medsebojni vpliv gravitacijskih valov in snovi je neznaten, zato je, kot bi bilo vesolje za gravitacijske valove transparentno. To je s stališča opazovanja velikega poka čudovito. Ko danes pogledamo v nebo, vidimo mikrovalovno sevanje iz velikega poka. To nam kaže vesolje, kakršno je bilo pred 13,7 milijarde let, a približno 300.000 let po velikem poku, kajti šele takrat je vesolje postalo transparentno za svetlobo. A gravitacijski valovi nas bodo popeljali naravnost k velikemu poku. V načrtu je poskus LISA (The Laser Interferometer Space Antenna), skupek treh satelitov, ki bodo v vesolje izstreljeni okrog leta 2013 in bodo iskali iz zgodnjega vesolja prihajajoče gravitacijske valove …

A kaj to pove o ciklični teoriji?

Standardna teorija velikega poka enostavno sprejme, da je vesolje vzniknilo iz točke, tega ne razloži, ampak pravi le: »To ni nekaj, kar bi lahko opisali, predpostavimo torej, da je vesolje na neki točki začelo obstajati. V kakšnem stanju bi moralo biti, da bi se razvilo v takšno vesolje, kot ga vidimo danes?« Na to vprašanje je težko odgovoriti, kajti če imate drobno vesoljce, ki nenadoma vznikne iz ene točke, kako je postalo tako veliko, gladko in v vseh smereh enako, kot ga vidimo danes? Takšne uganke so vodile k inflacijski razlagi. V skladu z inflacijsko razlago enostavno privzamete, da je vesolje nenadoma vzniknilo, in predpostavite, da je bilo polno nečesa, čemur se reče inflacijska energija. Inflacijska energija ima to čudno lastnost, da se pod njenim vplivom vesolje eksponentno razširi. Je oblika odbojne energije, ki vesolje napihne in ga naredi zelo gladkega in enotnega v vseh smereh. A nikoli ni bilo razloženo, zakaj se je vesolje začelo na ta način.

Doba inflacije ima zelo dramatičen stranski učinek. Če se je vesolje eksponentno napihnilo, je bil to tako silovit proces, da je nastalo mnogo valov. Ko se vesolje začne eksponentno napihovati, se kvantne vibracije v vakuumu spremenijo v velike dolgovalovne vibracije v prostoru, ki bi jih morali biti sposobni izmeriti. Inflacija torej predvideva gravitacijske valove. Ciklični model pa je veliko nežnejši – imate dva objekta, ki se skozi obdobja milijard in celo dlje, trilijonov let, približujeta, potem pa trčita. Ko trčita, prostor ni stisnjen v točko, ves je razprostrt; trk enostavno napolni prostor z radiacijo, prostor pa se potem razširi. To je veliko nežnejši proces, pri katerem ne dobite gravitacijskih valov, kakršne bi dobili z inflacijo. Če bomo torej videli gravitacijske valove, ki ustrezajo predvidevanjem inflacijske teorije, bo to v trenutku razveljavilo ciklični model. Zato je ciklični model preverljiv in vznemirljiv. Čeprav bo neposredna zaznava gravitacijskih valov mogoča šele okrog leta 2013, jih bomo morda zaznali že prej. Prihodnje leto gre v vesolje satelit Planck, ki bi lahko zaznal gravitacijske valove posredno prek njihovega učinka na mikrovalovno radiacijo, ki prihaja iz zgodnjega vesolja.

Ko je Turok v Cambridgeu prvič predaval o cikličnem modelu, mu je Stephen Hawking, ki ima zelo rad stave, dejal: »Stavim, da bo Planck zaznal gravitacijske valove in da se bo tvoj model izkazal za napačnega!« Odvrnil mu je: »Sprejmem stavo za kakršnokoli denarno vsoto!«

Vznemirljivo je, da je teorija preverljiva in se seveda lahko pokaže, da je napačna. A to je kljub vsemu napredek, saj potem vemo, da je neka možnost izključena. Prava znanost se ukvarja le s preverljivimi teorijami!

Vir: Neskončno vesolje,

Fizika na Princeton univerzi

Intervju N. Turok, Alan Guth in Janna Levin

Ciklični model uvod za študente