Проучване показва как Вселената е възникнала от предишен колапс

Според ново проучване, Вселената може да е претърпявала редуващи се периоди на разширяване и свиване, трансформирайки се от едно състояние в друго, като избягва сингулярността и нарушаването на физичните закони при Големия взрив. 

Изследването на Института за теоретична физика Периметър е подадено за публикуване в Physical Review Letters, за което накратко разказва сайтът на института.

Космологията има проблем

Проблемът е Големият взрив.

Стандартната космологията си представя първия миг на Вселената като сингулярност - тоест една точка, в която се побира всичко, цялата Вселената е вътре в нея. Цялата реалност е нула, а както знаем от елементарната математика, деленето на нула води до неопределеност - и сингулярността е неопределена. Тя няма нито отвън, нито вътре, тя не може да бъде описана. Тук законите на физиката се израждат напълно.

"Това е проблем", казва Нийл Търок (Neil Turok), космолог и директор на Института Периметър. "Стандартната космологията започва с невъзможност."

Изследването на Търок, заедно с Стефан Гилън (Steffen Gielen), бивш постдокторант в Периметър, а сега е сътрудник в Лондонския имперски колеж, хвърля нова светлина върху невъзможното начало на Вселената. Новото изследване е включено като предложения за Physical Review Letters.

Гилън и Търок представят Големият взрив като Големият подскок (Big Bounce) - не само в началото на тази Вселена, но в края на предишната Вселена. Предишната Вселена може би се свила в свръхуплътнено състояние, което маркира Големия й край и Големият взрив като начало на нашата Вселена.

На пръв поглед тази идея удовлетворява интуицията ни - поне обяснява откъде идват материята и енергията в тази единствена точка, но това не разрешава само по себе си проблемите със сингулярността. Тя все още е точно толкова невъзможна и неописуема. 

И така, как Гилън и Търок избягват този проблем?

Те започват с преглед на поведението на всички неща, присъстващи в ранната Вселена. В първите си 50 000 години, Вселената е била доминирана от радиацията. Цялата съществуваща свръхвисоко енергийна материя се проявява като радиация. Тази материя има специално състояние, което се оказва от решаващо значение за това изследване - тя е конформна. 

Понятието "конформност" има точно техническо значение в областта на физиката и математиката, но краткият й превод е "не зависи от мащаба". Светлината, например, е конформна. Светлината може да бъде под формата на радиовълни, които са широки километри или рентгенови лъчи, които имат ширината на атомно ядро. Уравненията на Максуел управляват и радиовълните, и рентгеновите лъчи, и не правят разлика между тях. Светлината не е уникален случай - физиката на елементарните частици подсказва, че при много висока енергия, цялата материя също не зависи от мащаба.

^{Преобразованието, което виждаме е конформно.}

"Нашата работа започва от това наблюдение", обяснява Търок. "Ние правим предположението, че ранната Вселена е изпълнена с неща, които нямат мащаб. И тогава ние се опитваме да опишем квантова Вселена, която е изпълнена с такава материя и си задаваме въпроса как ще се държи тя".

Това се оказва по-просто, отколкото учените някога са мечтали. Те са изненадани да открият, че могат да използват стандартната квантова механика, без добавяне на украшения или изкуствени фактори, за да се опише и се предскаже как се развива Вселената. И се оказва, че тя се свива и преминава през сингулярност към Големия взрив.

Както Търок се изрази: "Оказва се, за наша изненада, в този особен случай, където всичко във Вселената е конформно, и всичко, което изследваме е размера на Вселената, бихме могли да квантуваме теорията точно и има решение, при което една Вселена с един размер преминава във Вселена с друг размер квантовомеханично". 

"Квантовата механика ни спасява, когато нещата се разпадат", коментира Гилън. "Това спестява на електроните колапса и разрушаването на атомите, така че е възможно това да спаси ранната вселена от такива екстремни процеси в началото и края като Големия взрив и Големия срив (big crunch).

Оказва се, че може. 

В създадения от Гилън и Търок модел, Вселената се приближава до точката на сингулярност и след това я прескача през друго измерение.

Квантовата Вселена в този модел се описва от комплексни числа - числа с имагинерна и реална компонента, съдържащи корен квадратен от минус единица. "Допълнителното" измерение може да е имагинерно. В точката на сингулярност, когато часовникът бие полунощ, той да няма реална част, но все още може да има имагинерна част - и по този начин все още да бъде описан от законите на физиката. Така че проблемът на сингулярността е решен.

Изглежда може би като измама, но имагинерните и комплексните числа са навсякъде в квантовата физика. В тази работа, Търок и Гилън с помощта на математиката описват квантовото тунелиране - явление от квантовата механика, при което една частица тунелира през бариера, която е твърде висока, за да се премине над нея.

^{Основната концепция на енергийната бариера може да се покаже с помощта на следната аналогия. Представете си топка, която се търкаля в падина между два хълма. Дори при липса на триене, топката ще се търкаля само напред и назад в падината, но никога няма да премине от другата страна, защото няма достатъчно енергия, за да се изкачи на хълма, разделящ двете падини.}

^{Хълмът е енергийната бариера, която предотвратява преминаването от едната падина в другата. Топката е затворена в падината наляво, независимо, че дясната падина съответства на по-ниска енергия.}

Квантовото тунелиране е повече от математически трик, то обяснява как работи синтеза в слънцето, както и на негова база е създадена технологията на тунелните електронни микроскопи.

В крайна сметка, Големият подскок в космологията - когато една Вселена се свива в един Големия срив, докато друга се разширява навън под формата на Голям взрив - не е нова идея. Търок по-специално е основен поддръжник на такава циклична космология повече от десетилетие. Но досега не бяха свъзани в точката на самият подскок - сингулярността.

Тази нова работа показва как само ако приемем, че всичко в ранната Вселена е конформно, позволява да се опише квантово космологията, как работи плавно Вселената преди и след сингулярността. Без дракони.

Не е чудно, изследователите описват работата си като "Перфектен подскок" (Perfect Bounce).

Още по темата

05/06/2016

Космос

Защо Вселената не се е превърнала в черна дупка?

13/03/2016

Физика

Кондензацията на Бозе-Айнщайн или петото състояние на материята

27/01/2016

Космос

Часовници, които тиктакат отпреди Големия взрив

26/10/2015

Физика

Как се преминава през стени в квантовия свят