Czy Wszechświat mógł przeżyć Wielki Wybuch?

Jak uwzględnić efekty kwantowe w kosmologicznym modelu Wielkiego Wybuchu?

Czy Wszechświat mógł przeżyć Wielki Wybuch?

Zespół badaczy z NCBJ i z Francji zaproponował metodę uwzględnienia efektów kwantowych w analizie ewolucji wczesnego Wszechświata. Wykonane obliczenia wskazują na możliwość zastąpienia kosmologicznej hipotezy Wielkiego Wybuchu scenariuszem Wielkiego Odbicia. Naukowcy sądzą, że obserwacje reliktowych fal grawitacyjnych pozwolą zweryfikować badany przez nich model. Praca została wyróżniona jako jedna z 5 najlepszych, wykonanych w 2015 r. w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ.

Obserwacje astronomiczne wskazują, że galaktyki i inne odległe obiekty widoczne na niebie nieustannie oddalają się od siebie. Fizycy uważają, że dzieje się tak, gdyż to sam Wszechświat stale się rozszerza jak powierzchnia nadmuchiwanego balona. Znając z obserwacji tempo tego rozszerzania się, można obliczyć, że proces rozpoczął się niemal 14 miliardów lat temu. Model matematyczny opisujący tę ewolucję przewiduje, że w jej najwcześniejszym stadium gęstość energii materii we Wszechświecie była nieskończona, a objętość Wszechświata była zerowa. Ten moment nazywany jest Wielkim Wybuchem. Zgodnie z modelem, w Wielkim Wybuchu swój początek miała nie tylko przestrzeń, ale i czas naszego Wszechświata, a pytanie o to co było przed Wielkim Wybuchem po prostu nie ma sensu.

 

Naukowcy są jednak zgodni, że klasyczny model kosmologiczny oparty o równania Ogólnej Teorii Względności Einsteina staje się coraz mniej wiarygodny, gdy próbujemy go stosować do warunków panujących we wczesnym Wszechświecie. Można więc mieć uzasadnione wątpliwości czy wnioski wyciągane z tak niepewnego opisu są prawidłowe. Wielu teoretyków usiłuje stworzyć model bardziej doskonały, który uwzględniałby m.in. zjawiska kwantowe. Równolegle opracowywane są nowe metody obserwacji astrofizycznych pozwalających uzyskać informacje o coraz odleglejszych w czasie stadiach ewolucji Wszechświata i zweryfikować teorie kosmologiczne. M.in. podejmowane są próby pomiaru reliktowych fal grawitacyjnych niosących ślady zjawisk sprzed kilkunastu miliardów lat.

 

Wiele alternatywnych modeli kosmologicznych – tworzonych zarówno na gruncie fizyki klasycznej jak i kwantowej – zakłada, że historia Wszechświata nie rozpoczęła się w Wielkim Wybuchu. Według ich autorów Wszechświat istniał wcześniej, a w czasie, na który datowany jest Wielki Wybuch, Wszechświat przeszedł jedynie z wcześniejszej fazy kurczenia się do obecnie obserwowanej fazy rozszerzania. Taki scenariusz wyłonił się także w modelu badanym obecnie przez grupę naukowców z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ i ich francuskich współpracowników. Badacze założyli, że przestrzeń jest trójwymiarową sferą. Zgodnie z klasycznymi równaniami Einsteina taki Wszechświat powinien się „narodzić” w osobliwości o rozmiarach punktu i o nieskończonej gęstości energii materii. Z drugiej strony gdyby podobny Wszechświat istniał „wcześniej” w fazie zapadania się, to powstawałyby w nim i rozchodziły się falowo zaburzenia geometrii nazywane falami grawitacyjnymi. Energia zaburzeń byłaby tak duża, że Wszechświat „pod ich ciężarem” powinien zakończyć swoją ewolucję w osobliwości. Uczonym z Warszawy i Paryża udało się pokazać, że dzięki efektom kwantowym klasyczne kurczenie i rozszerzanie się przestrzeni mogą być następującymi po sobie fazami ewolucji tego samego Wszechświata. Dzięki formalnemu podobieństwu rozważanego modelu kosmologicznego do modelu cząsteczki złożonej z ruchliwych elektronów otaczających ciężkie jądra atomowe, mogli oni wykorzystać matematyczne metody wypracowane wcześniej dla fizyki układów atomów. Okazało się, że w fazie zapadania efekty kwantowe zmniejszają „ciężar” fal grawitacyjnych, przez co kurczenie się przestrzeni jest mniej gwałtowne. Dodatkowo, w miarę zmniejszania się objętości przestrzeni, podlega ona działaniu rozpychającej ją siły „kwantowej”, która ostatecznie przeważa nad naciskiem fal grawitacyjnych. Powoduje to nagłe zatrzymanie zapadania się przestrzeni i jej gwałtowne „odbicie”, czyli przejście do obecnie obserwowanej fazy kosmologicznej ekspansji. Autorzy są zdania, że unikatowe ślady dynamiki rozważanego przez nich Wielkiego Odbicia mogłyby być odnalezione także dzisiaj w badaniach reliktowych fal grawitacyjnych.

 

Praca zespołu w składzie E. Czuchry, P. Małkiewicz i W. Piechocki (NCBJ) oraz H. Bergeron (Universite Paris-Sud) i J. P. Gazeau (Universite Paris Diderot), została wyróżniona jako jedna z 5 najlepszych, wykonanych w 2015 r. w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ.

 

Smooth Quantum Dynamics of Mixmaster Universe.

Hervé Bergeron, Ewa Czuchry, Jean-Pierre Gazeau, Przemysław Małkiewicz, and Włodzimierz Piechocki, Phys. Rev. D 92, 061302 (R.)

Oprac. notatki: mp

Czy Wszechświat mógł przeżyć Wielki Wybuch?