Cyklický model vesmíru: degenerace hmoty probíhá donekonečna

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Na počátku 21. století dva fyzici z Princetonské univerzity navrhli kosmologický model, podle kterého Velký třesk není ojedinělou událostí, ale časoprostor existoval dávno před zrozením vesmíru.

V cyklickém modelu prochází vesmír nekonečným samoudržovacím cyklem. Ve třicátých letech minulého století Albert Einstein předložil myšlenku, že vesmír může zažít nekonečný cyklus velkých třesků a velkých stlačení. Expanze našeho vesmíru může být výsledkem kolapsu předchozího vesmíru. V rámci tohoto modelu můžeme říci, že Vesmír se znovuzrodil ze smrti svého předchůdce. Pokud ano, pak Velký třesk nebyl něčím jedinečným, je to jen jedna menší exploze mezi nekonečným množstvím dalších. Cyklická teorie nutně nenahrazuje teorii velkého třesku, spíše se snaží odpovědět na jiné otázky: například co se stalo před velkým třeskem a proč velký třesk vedl k období rychlé expanze?

Jeden z nových cyklických modelů vesmíru navrhli Paul Steinhardt a Neil Turok v roce 2001. Steinhardt tento model popsal ve svém článku, který se jmenoval Cyklický model vesmíru. V teorii strun je membrána nebo "brána" objekt, který existuje v mnoha dimenzích. Podle Steinhardta a Turoka těmto branám odpovídají tři prostorové dimenze, které vidíme. Dvě 3D brány mohou existovat paralelně, oddělené dalším skrytým rozměrem. Tyto brány – lze si je představit jako kovové desky – se mohou pohybovat po této extra dimenzi a vzájemně se srážet, vytvářet Velký třesk, a tedy vesmíry (jako je ten náš). Když se srazí, události se odvíjejí podle standardního modelu velkého třesku: vzniká horká hmota a záření, dochází k rychlé inflaci a poté se vše ochladí – a vznikají takové struktury, jako jsou galaxie, hvězdy a planety. Steinhardt a Turok však tvrdí, že mezi těmito branami vždy existuje určitá interakce, kterou nazývají mezibrane: přitahuje je k sobě, což způsobí, že se znovu srazí a způsobí další velký třesk.

Steinhardtův a Turokův model nicméně zpochybňuje některé předpoklady modelu velkého třesku. Například podle nich nebyl Velký třesk počátkem prostoru a času, ale spíše přechodem z dřívější fáze evoluce. Pokud mluvíme o modelu velkého třesku, pak ten říká, že tato událost znamenala bezprostřední počátek prostoru a času jako takového. Navíc v tomto cyklu srážkových bran musí být rozsáhlá struktura vesmíru určena fází stlačování: to znamená, že k tomu dojde předtím, než se srazí a dojde k dalšímu velkému třesku. Podle teorie velkého třesku je velkorozměrová struktura vesmíru určena obdobím rychlé expanze (inflace), která proběhla krátce po výbuchu. Model velkého třesku navíc nepředpovídá, jak dlouho bude vesmír existovat, a ve Steinhardtově modelu je trvání každého cyklu asi bilion let.

Na cyklickém modelu Vesmíru je dobré, že na rozdíl od modelu velkého třesku dokáže vysvětlit takzvanou kosmologickou konstantu. Velikost této konstanty přímo souvisí se zrychleným rozpínáním vesmíru: vysvětluje, proč se prostor tak rychle rozpíná. Podle pozorování je hodnota kosmologické konstanty velmi malá. Donedávna se věřilo, že jeho hodnota je o 120 řádů menší, než předpovídala standardní teorie velkého třesku. Tento rozdíl mezi pozorováním a teorií byl dlouho jedním z největších problémů moderní kosmologie. Není to však tak dávno, co byly získány nové údaje o rozpínání Vesmíru, podle kterých se rozpíná rychleji, než se dosud předpokládalo. Zbývá počkat na nová pozorování a potvrzení (či vyvrácení) již získaných dat.

Steven Weinberg, laureát Nobelovy ceny z roku 1979, se snaží vysvětlit rozdíl mezi pozorováním a předpovídáním modelu pomocí tzv. antropického principu. Hodnota kosmologické konstanty je podle něj náhodná a v různých částech Vesmíru se liší. Neměli bychom být překvapeni, že žijeme v tak vzácné oblasti, kde pozorujeme malou hodnotu této konstanty, protože pouze s touto hodnotou se mohou vyvíjet hvězdy, planety a život. Někteří fyzici však nejsou s tímto vysvětlením spokojeni kvůli nedostatku důkazů, že tato hodnota je v jiných oblastech pozorovatelného vesmíru odlišná.

Podobný model vyvinul v 80. letech americký fyzik Larry Abbott. V jeho modelu však byl pokles kosmologické konstanty na nízké hodnoty tak dlouhý, že by se veškerá hmota ve vesmíru za takové období rozptýlila v prostoru a ve skutečnosti by zůstal prázdný. Podle Steinhardtova a Turokova cyklického modelu Vesmíru je důvodem, proč je hodnota kosmologické konstanty tak malá, to, že byla zpočátku velmi velká, ale postupem času s každým dalším cyklem klesala. Jinými slovy, s každým velkým výbuchem se množství hmoty a záření ve Vesmíru „vynuluje“, ale ne kosmologická konstanta. V průběhu mnoha cyklů jeho hodnota klesla a dnes pozorujeme přesně tuto hodnotu (5, 98 x 10-10 J / m3).

V rozhovoru Neil Turok hovořil o svém a Steinhardtově modelu cyklického vesmíru takto:

„Navrhli jsme mechanismus, ve kterém teorie superstrun a M-teorie (naše nejlepší kombinované teorie kvantové gravitace) umožňují vesmíru projít Velkým třeskem. Abychom však pochopili, zda je náš předpoklad plně konzistentní, je zapotřebí další teoretické práce.“

Vědci doufají, že s rozvojem technologií bude příležitost tuto teorii otestovat spolu s dalšími. Takže podle standardního kosmologického modelu (ΛCDM) následovalo období známé jako inflace krátce po velkém třesku, který naplnil vesmír gravitačními vlnami. V roce 2015 byl zaznamenán signál gravitační vlny, jehož tvar se shodoval s předpovědí Obecné teorie relativity pro sloučení dvou černých děr (GW150914). V roce 2017 byli fyzikové Kip Thorne, Rainer Weiss a Barry Barish za tento objev oceněni Nobelovou cenou. Také následně byly zaznamenány gravitační vlny vycházející z události sloučení dvou neutronových hvězd (GW170817). Gravitační vlny z kosmické inflace však zatím nebyly zaznamenány. Steinhardt a Turok navíc poznamenávají, že pokud je jejich model správný, pak budou takové gravitační vlny příliš malé na to, aby byly „detekovány“.