Teoretiska fysiker och kosmologer måste leta efter svar på de mest grundläggande frågorna: "Varför är vi här?", "När dyker universum upp?" och "Hur hände detta?" Trots den uppenbara vikten av att hitta svar på dessa frågor finns det en fråga som överskuggar dem alla med sitt intresse: "Vad hände före Big Bang?"
Låt oss vara ärliga: vi kan inte svara på den här frågan. Ingen kan. Men trots allt förbjuder ingen att spekulera i detta ämne och överväga flera intressanta antaganden? Sean Carroll från California Institute of Technology håller till exempel med om detta. Förra månaden deltog Carroll i ett halvårsmöte mellan American Astronomical Society, där han föreslog flera "preexplosiva" scenarier, vars "sista ackord" kan vara framväxten av vårt universum. Återigen, detta är bara spekulation, inte teori, så kom ihåg detta.
"Vid den tiden, så att säga, var fysikens lagar som vi känner ännu inte i kraft, för" då "fanns de inte ännu", säger Carroll.
”När fysiker säger att de inte har någon aning om vad som hände då, säger de det med största allvar. Detta segment av historia är i absolut ogenomträngligt mörker, instämmer Peter Voight, teoretisk fysiker vid Columbia University.
En av de konstigaste egenskaperna i vårt universum är att det har en mycket låg nivå av entropi. Denna term har många tolkningar, men i det här fallet talar vi om graden av störning. Och när det gäller universum finns det mer ordning i det än oordning. Föreställ dig en bomb fylld med sand. Bomben exploderar och miljarder miljarder sandkorn som finns i den sprids i olika riktningar - faktiskt framför dig är en modell av Big Bang.
"Men i stället för den förväntade kaotiska spridningen förvandlas dessa sandkorn, som representerar vårt universums materia, omedelbart till många färdiga" sandslott ", bildade oklart hur och utan hjälp utifrån", säger Stephen Countryman, doktorand vid Columbia University.
Resultatet av Big Bang kunde (och kanske borde ha varit) framväxten av en hög massa entropi i form av ojämnt fördelad materia. Istället ser vi dock stjärnsystem, galaxer och hela galaxkluster sammankopplade. Vi ser ordning.
Dessutom är det viktigt att förstå att entropi, eller oordning, bara kan öka över tiden - samma sandslott kommer förr eller senare och utan extern hjälp återupplöses i många sandkorn. Dessutom, som Carroll påpekar, är vår observation av tiden direkt relaterad till entropinivån sedan universums början. Samtidigt kan entropin i sig betraktas som en typ av tidsberoende fysisk egenskap med endast en rörelseriktning - till framtiden.
Kampanjvideo:
Så, entropi, enligt fysikens lagar, kan bara öka, men dess nuvarande nivå i universum är mycket låg. Enligt Carroll kan detta bara betyda en sak: det tidiga universum hade en ännu lägre nivå av det, det vill säga universum borde ha varit ännu mer organiserat och ordnat. Och detta kan i sin tur ge upphov till idén om vad som hände med vårt universum faktiskt före Big Bang.
”Det finns många människor som tror att det tidiga universum var ett mycket enkelt, ointressant och uttryckslöst system. Så snart du ansluter entropi till denna fråga ändras perspektivet omedelbart och du inser att det i det här fallet finns saker som behöver förklaras, fortsätter Carroll.
Även om vi lämnar entropin åt sidan kommer vi att ha andra lika viktiga aspekter som på något sätt måste anpassas till vårt nuvarande universum där vi lever. Dessutom verkar i vissa fall en låg nivå av entropi mindre betydande än i andra. Därför kommer vi att försöka överväga de tre mest populära antagandena om vad som kunde ha hänt med universum före Big Bang.
The Big Rebound Model
Enligt en av hypoteserna beror den låga nivån av entropi i vårt universum på det faktum att dess utseende i sig var resultatet av upplösningen av något "tidigare" universum. Denna hypotes säger att vårt universum kunde ha bildats som ett resultat av en snabb kompression ("studs"), driven av komplexa effekter av kvantgravitationen (singularitet), vilket i sin tur gav upphov till Big Bang. I sin tur kan detta indikera att vi kan leva med lika framgång både när som helst i den oändliga sekvensen av framväxande universum och omvänt i universums”första iteration”.
Denna hypotetiska modell av universums uppkomst kallas ibland "Big Bounce" -modellen. Det första omnämnandet av denna term låter tillbaka på 60-talet, men den här modellen förvandlades till en mer eller mindre formad hypotes först på 80-talet - tidigt på 90-talet.
Bland de mindre kontroversiella punkterna har Big Bounce-modellen tydliga brister. Tanken med att kollapsa till en singularitet strider till exempel mot Einsteins teori om allmän relativitet - de regler enligt vilka tyngdkraften fungerar. Fysiker tror att singularitetseffekten kan existera inuti svarta hål, men de fysiska lagar vi känner kan inte ge oss en mekanism för att förklara varför”ett annat universum”, efter att ha nått singulariteten, bör ge upphov till Big Bang.
"Det finns inget i allmän relativitet som indikerar ett" studs "av det nya universum som ett resultat av singulariteten, säger Sean Carroll.
Detta är dock inte den enda stora kontroversiella punkten. Faktum är att Big Bounce-modellen innebär närvaron av en rätlinjig tid med minskande entropi, men som nämnts ovan ökar entropin bara med tiden. Med andra ord, enligt fysikens lagar som vi känner är det inte möjligt att se ett studsande universum.
Vidareutveckling av modellen ledde fram till en hypotes om att tiden i universum kan vara cyklisk. Men samtidigt kan modellen fortfarande inte förklara hur den nuvarande expansionen av universum kommer att ersättas av dess sammandragning. Ändå betyder detta inte nödvändigtvis att Big Bounce-mönstret är helt fel. Det är möjligt att våra nuvarande teorier om det helt enkelt är ofullkomliga och inte helt genomtänkta. När allt kommer omkring, de fysiklagar som vi nu har härleddes från gränsen enligt vilken vi kan observera universum.
The Sleeping Universe Model
"Kanske före Big Bang var universum ett mycket kompakt, långsamt utvecklat statiskt utrymme", teoretiserar fysiker som Kurt Hinterbichler, Austin Joyce och Justin Khoury.
Detta "preexplosiva" universum måste ha ett metastabilt tillstånd, det vill säga vara stabilt tills ett ännu mer stabilt tillstånd uppträdde. Analogiskt, föreställ dig en klippa på vars kant en sten är i vibrationstillstånd. Varje kontakt med stenblocken kommer att leda till att den faller i avgrunden eller - som ligger närmare vårt fall - en Big Bang. Enligt vissa teorier kan det”preexplosiva” universum existera i en annan form, till exempel i form av ett platt och mycket tätt utrymme. Som ett resultat upphörde denna metastabila period: den expanderade dramatiskt och fick formen och tillståndet av det vi ser nu.
"Den sovande universummodellen har emellertid också sina problem", säger Carroll.
"Det antar också att vårt universum har en låg nivå av entropi och inte förklarar varför det är så."
Hinterbichler, en teoretisk fysiker vid Case Western Reserve University, ser dock inte framväxten av låg entropi som ett problem.
”Vi letar bara efter en förklaring av dynamiken som ägde rum före Big Bang, vilket förklarar varför vi ser vad vi ser nu. Hittills är detta bara det som finns kvar för oss, säger Hinterbichler.
Carroll tror emellertid att det finns en annan teori om ett "preexplosivt" universum som kan förklara den låga nivån av entropi som finns i vårt universum.
Multiverse-modellen
Framväxten av nya universum från "moderuniversumet"
Den hypotetiska multiversmodellen undviker den entropi-minskande reticensen hos Big Bounce-modellen och ger en förklaring till dess låga nivå idag, säger Carroll. Det härstammar från idén om "inflation" - en väl accepterad men ofullständig modell av universum. Termen "inflation" och den första förklaringen till denna modell föreslogs 1981 av fysikern Alan Guth, för närvarande vid Massachusetts Institute of Technology. Enligt denna modell har utrymmet efter Big Bang expanderat dramatiskt. Så dramatiskt att expansionshastigheten var högre än ljusets hastighet. Enligt kvantmekanik förekommer ständigt slumpmässiga, subtila fluktuationer av energi i rymden. Vid någon tidpunkt under inflationsperioden nådde topparna för dessa fluktuationer sitt maximala och orsakade uppkomsten av galaxer,tomrum och storskaliga lågentropistrukturer som vi observerar i universum idag.
Själva inflationsmodellen utvecklades på basis av observationer av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning - den äldsta typen av strålning som uppträdde bara några hundra tusen år efter Big Bang. Forskare tror att inflationsmodellen förutsäger dess existens perfekt.
En hypotes är att multiversumet kan vara resultatet av inflation. Antagandet säger att det finns något mycket, mycket stort universum, då och då som ger upphov till mer kompakta universum. Dessutom är ingen form av kommunikation mellan dessa universum möjlig. PBS Novas Markus Wu förklarar:
”I början av 80-talet kom fysikerna till slutsatsen att inflationen kan ha oändlighetens natur och endast stannar i vissa delar av rymden och skapar någon form av stängda” fickor”. Emellertid fortsätter inflationen mellan dessa "fickor" och den flyter snabbare än ljusets hastighet. I sin tur blir isolerade från varandra "fickor" så småningom universum."
Carroll är mest imponerad av den här modellen, även om hans egen föreslagna modell skiljer sig något från vad som beskrivs ovan:
"Det här är bara en version av multiversitetsteorin, men den största skillnaden här är att" moderuniversumet "kan ha en hög nivå av entropi och skapar universum med låg entropinivå", säger Carroll.
Enligt denna modell fanns det före Big Bang ett slags stort expanderande utrymme från vilket vårt och ett oändligt antal andra universum föddes. Andra universum är bortom vår förmåga att upptäcka dem och kunde ha bildats både före och efter vårt universum.
Det bör noteras att det för tillfället är en av de mest populära modellerna. Ändå uppfattar naturligtvis forskare det annorlunda. Vissa stöder denna idé, andra är tvärtom helt oense med den. Men om vi tar Peter Voight från Columbia University som ett exempel, kan teorin om Multiverse, även om det ser väldigt attraktivt ut från en populärvetenskaplig synvinkel, göra fysiker lat och få dem att sluta leta efter svar på de mest grundläggande frågorna, till exempel, varför är fysiska konstanter i vårt universum? exakt som de är - avskriva alla variationer.
"Teoretiker spekulerar om möjligheten till ett oändligt antal universum, och i slutändan kan vi komma med tydliga modeller som kan förklara varför värden (som de grundläggande egenskaperna hos partiklarna vi observerar) kan skilja sig från varandra i varje enskilt universum", säger Voight …
Voight fruktar att en dag kommer den viktigaste frågan för vetenskapen inom detta område att vara resonemanget om ämnet”hur lyckliga vi har att vara i detta slumpmässiga universum, där allt händer på detta sätt, och inte annorlunda, trots det oändliga utbudet av möjligheter, så låt oss ge upp denna satsning med teorier.
Vad kan sammanfattas? Många fysiker får betalt för att argumentera och skriva böcker där de försöker beskriva hur Big Bang och modellen för ett "pre-explosivt" universum kan förklara vad vi ser idag, även om de själva inte vet och verkligen inte kan veta. varför är det så. Faktum är att även om det finns allvarliga förenklingar i både matematiska modeller och förklaringar har vi inte kommit nära rätt svar och vi har fortfarande mycket resonemang om detta ämne tills vi når det önskade resultatet.
”Det är viktigt att inte bara lägga fram teorier och hypoteser. Det är mycket viktigare att göra det klart för människor att vi själva faktiskt ännu inte förstår vad vi pratar om. Allt detta är bara på antagandenivån, men jag hoppas att vi förr eller senare kommer att kunna hitta rätt svar som passar alla, säger Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK