Galbūt, Visata gimė didžiuoju atšokimu, kuris sukėlė sprogimą – ir visa tai buvo sukelta kvantinių-gravitacinių veiksnių. Tai teigia nauja teorija…

Kai prieš šimtmečius buvo iškelta atomų hipotezė ir kai dar nebuvo galima įžvelgti tokių mažų objektų, daugelis klausinėjo, ar ši koncepcija iš viso gali būti pavadinta moksline. Galiausiai A. Einšteinas 1905 m. ištyrė Brauno judėjimą – atsitiktinį dulkių dalelių blaškymąsi skystyje. Tačiau prireikė dar 20 m. teorijos, aiškinančios atomus, sukūrimui – būtent kvantinę mechaniką – ir dar 20 m., kol Erwin Muller sukūrė mikroskopą, leidžiantį juos pamatyti.

Panašiu keliu nuėjo ir erdvės ir laiko sandaros sampratos vystymasis – tik atsilikdamas keliais žingsniais. Kaip materija kad sudaryta iš smulkiausių dalelių, taip ir erdvė ir laikas turi sudėtinę struktūrą – yra tarsi erdvėlaikių "atomų" mozaika. Tie atomai yra mažiausias nedalomas atstumas - manoma juos esant 10^-35 m; tuo tarpu šiuolaikiniais prietaisais galima įžvelgti tik 10^{-18 m dydžio detales – tad vėl klausiama, ar atomistinė erdvėlaikio koncepcija gali būti laikoma moksline. Tačiau kai kurie mokslininkai ieško, kaip ją patikrinti nenaudojant tiesioginio stebėjimo.}

Daugiausia žadantis yra kosmoso stebėjimas. Jei įsivaizduotume Visatos plėtrą atvirkščia tvarka, tai matytume, kaip visos galaktikos sulekia į vieną be galo mažą tašką – Didžiojo sprogimo singuliarumą. Dabartinė gravitacijos teorija (bendroji Einšteino reliatyvumo teorija) spėja, kad jame Visata buvo begalinio tankio ir temperatūros. Toji akimirka kartais prakišama kaip Visatos pradžia, materijos, erdvės ir laiko gimimas. Toks aiškinimas, vienok, nueina per toli, mes begaliniai dydžiai rodo, kad sutrinka pati bendroji reliatyvumo teorija. Norėdami paaiškinti, kas įvyko, fizikai turi pakilti virš reliatyvumo. Reikia sukurti kvantinę gravitacijos teoriją, kuri atsižvelgtų į atomistinę erdvėlaikio prigimtį, kurios nemato reliatyvumo teorija. Pirmapradžio tankio pėdsakai gali būti išlikę dabartinėje materijos ir spinduliavimo struktūroje.

Erdvės atplaišos

Fizikai siūlo kelias kvantinės gravitacijos teorijas, kurių kiekviena kvantinius principus gravitacijai taiko skirtingais būdais. Viena jų, išvystyta paskutiniame 20 a. dešimtmetyje, yra "kilpinė gravitacija" ("loop gravity"). Ji kurta dviem etapais. Pradžioje teoretikai matematiškai performulavo bendrąją reliatyvumo teoriją, kad derėtų su klasikine elektromagnetizmo teorija; jos "kilpos" yra atitikmuo elektriniams ir magnetiniams laukams. Vėliau, įtraukę naujas procedūras, kurių kai kurios panašios į mazgų (knot) matematiką, kvantinius principus pritaikė kilpoms. Tokia kvantinės gravitacijos teorija spėja esant erdvėlaikio atomus¹⁾.

Kiti būdai, tokie, kaip stygų teorija ar vadinamoji priežastinė dinaminė trianguliacija, nenumato erdvėlaikio atomų, tačiau kitais būdais pasiekia, kad nepaprastai maži atstumai taptų nedalomi²⁾. Tos teorijos yra naudingos, pvz., stygų teorija padeda suprasti el. dalelių sąveikas (apimant ir gravitaciją), kai tos sąveikos yra silpnos. Tačiau singuliarumo taške, kai gravitacija buvo labai stipri, priimtinesnė turėtų būti kilpų teorija.

Einšteino didžiausia įžvalga buvo ta, kad erdvėlaikis nėra tik scena, kurioje viskas vyksta. Jis taip pat aktorius, vaidinantis savo vaidmenį. Jis ne tik nusako kūnų judėjimą, bet ir vystosi. Tarp materijos ir erdvėlaikio yra sudėtinga sąveika. Erdvė gali plėstis ir trauktis.

Kilpų gravitacija išplečia tą įžvalgą į kvantinį lygmenį. Ji paima mūsų įprastinį elementariųjų dalelių sampratą ir ją pritaiko erdvėlaikio atomams, pateikdama unifikuotą daugelio pagrindinių koncepcijų pateikimą. Pvz., kvantinė elektromagnetizmo teorija aprašo vakuumą kaip esantį tuščią ir neturintį jokių dalelių. Bet koks energijos padidėjimas vakuume sukelia dalelės atsiradimą. Kvantinėje gravitacijos teorijoje vakuumas yra erdvėlaikio nebuvimas – tokia visiška tuštuma, kokią tik galime įsivaizduoti. Kilpų gravitacija aprašo, kaip kiekvienas energijos padidėjimas vakuume sukuria naujus erdvėlaikio atomus.

Erdvėlaikio atomai sudaro tankų, netgi nepastovų tinklą. Dideliais atstumais jų dinamizmas leidžia vystytis klasikinės bendrosios reliatyvumo teorijos Visatai. Kitais atvejais mes niekada nepastebėsime erdvėlaikio atomų egzistavimo; tinklo tankis toks didelis, kad jis atrodo kaip kontinuumas. Tačiau kai erdvėlaikis užpildomas energija (kaip buvo Didžiojo sprogimo metu), grūdėta erdvėlaikio struktūra turi įtaką ir čia kilpų gravitacija atsiskiria nuo bendrosios reliatyvumo teorijos.

Traukia iki atostūmio

Teoretikai neretai pasaulį aprašo diferencialinėmis lygtimis, nusakančiomis fizikinių kintamųjų kitimo spartą. Tačiau kai erdvėlaikis yra grūdėtas, reikia diferencialines lygtis naudoti kontinuumą suskaidžius į diskrečius intervalus. Tos lygtys aprašo, kaip Visata kopia dydžių kopėčiomis, kas vyksta jai augant. Ir buvo gauti netikėti rezultatai.

Paprastai gravitacija laikoma traukos jėga. Materijos rutulys stengiasi susispausti veikiamas savo svorio ir jei masė yra pakankamai didelė, gravitacija viršija visas kitas jėgas ir suspaudžia rutulį į singuliarumą (tai ir yra "juodoji skylė"). Tačiau kilpų gravitacija laiko, kad atomistinė erdvėlaikio struktūra pakeičia gravitacijos prigimtį esant labai aukštiems energijos tankiams, paversdama ją atstumiančia. Įsivaizduokite erdvę kaip kempinę, o masę ir energiją kaip vandenį. Porėta kempinė gali sugerti vandenį, tačiau tik tam tikrą jo kiekį. Iki galo išmirkusi, ji daugiau nesugeria vandens. Taip ir atomistinė kosminė erdvė yra porėta ir gali priimti tik ribotą energijos kiekį. Kai energijos tankis tampa per didelis, pradeda veikti atostūmio jėgos (tuo tarpu bendrojoje reliatyvumo teorijoje erdvė yra kontinuumas, galintis talpinti neribotą energijos kiekį).

Tokiomis sąlygomis negali atsirasti singuliarumas – begalinio tankio būsena. Tad Visata pradžioje turėjo labai didelį, tačiau ribotą tankį. Gravitacija veikė kaip stumiančioji jėga, priversdama erdvę plėstis; o kai tankis sumažėjo, gravitacija tapo traukos jėga. Visatos plėtimąsi palaiko inercija.

Faktiškai, atostūmio jėga Visatą vertė plėstis greitėjančiai. Atrodo, kad kosminiai stebėjimai reikalauja, kad toks laikotarpis, vadinamas kosmine infliacija, turėjo egzistuoti. Visatai plečiantis infliacija silpo. Kai tik greitėjimas baigiasi, perteklinė energija virsta įprasta materija, pradedančia užpildyti Visatą. Dabartiniuose kosmologijos modeliuose infliacija yra kažkokia netvarkinga ir įtraukta, kad pateisintų stebėjimus. Tačiau kilpų kvantinėje kosmologijoje tai natūrali atomistinės erdvėlaikio struktūros išdava.

Laikas prieš laiką

Be to, neturint singuliarumo, apibūdinančio laiko pradžią, Visatos istorija gali būti pratęsta toliau į praeitį³⁾. Panaudoję diferencialines lygtis, galime rekonstruoti tolimą praeitį. Vienas galimų scenarijų yra tas, kad pradinė didelio tankio Visata susidarė, kai iki tol egzistavusi Visata susitraukė veikiama gravitacinės traukos jėgos. Kažkuriuo momentu gravitacijos jėga virto atostūmio jėga ir Visata vėl išsiplėtė. Kosmologai šį procesą pavadino Didžiuoju atšokimu (Big Bounce).

Supaprastinto modelio simuliaciją Abhay Ashtekar, Tomasz Pawlowski ir Parampreet Singh paskaičiavo tik 2006 m. Ji aiškiai parodė, kad Visata sukrenta ne į singuliarumą nebūtį, o susispaudimas sustoja ir ima veikti atostūmio jėgos. Kartu kėlė susidomėjimą tai, kad šio proceso metu garsusis kvantinės mechanikos neapibrėžtumo principas tarytum negaliojo. Banga liko lokalizuota. Taipogi rezultatai rodo, kad Visata iki Didžiojo atšokimo buvo panaši į dabartinę – paklususi bendrajai reliatyvumo teorijai ir užpildyta galaktikų su žvaigždėmis.

Tačiau iš tikro vaizdas nėra toks paprastas. Atšokimas nėra vien trumpas atostūmio jėgos veiksmas. Jis gali reikšti mūsų Visatos išsiskyrimą iš beveik neišmatuojamų kvantinės būsenos gelmių – nepaprastos betvarkės pasaulio. Panaši š mūsiškę Visata turėjo išgyventi nepaprasto materijos ir energijos tankio periodą, kurio metu viskas buvo atsitiktinai permaišyta. Visata iki Didžiojo sprogimo galėjo fliuktuoti visiškai skirtingai nei po jo – tačiau apie tai mes nesužinosime. Visata perėjo visiško užmaršumo būseną.

Tačiau tai kartu gali būti ir "gelbėjimosi ratas". Fizikinėse sistemose, kaip ir kasdieniniame gyvenime, betvarkė linkusi didėti. Tas principas, vadinamas antruoju termodinamikos dėsniu, yra argumentas, kodėl negali būti amžinos Visatos. Jei tvarka mažėjo begalinį laiko tarpą, tai dabartinė Visata turėjo jau visai likti be tvarkos – ir tokie dariniai, kaip galaktikos, žvaigždės ir Žemė, turėtų būti negalimi. Tad kosminis užmaršumas.gali paaiškinti, kodėl jie tebėra. Pagal tradicinę termodinamikos teoriją, nėra tokio dalyko kaip švari būsena: bet kuri sistema išsaugo atmintį apie savo praeitį savo atomų konfigūracijose⁴. Tačiau leisdama erdvėlaikio atomams keistis, kilpų gravitacija suteikia Visatai daugiau laisvės susitvarkymui, nei numato klasikinė fizika.

Tačiau tai nereiškia, kad kosmologai neturi vilties peržengti kvantinės gravitacijos laikotarpį. Daug žada gravitacinės bandos ir neutrinai, nes jie mažai sąveikauja su materija ir todėl gali praeiti pirmapradę plazmą mažai nukentėdami. Iš jų galima tikėtis žinių apie laiką, buvusį net prieš Didįjį sprogimą. Viena iš galimybių – ieškoti atspaudų mikrobanginiame kosmoso spinduliavime⁵ (apie jį žr. >>>>).

Be to, astronomai gali paieškoti erdvėlaikio analogų Brauno dalelių judėjimui. Pvz., kvantinės fliuktuacijos gali paveikti šviesos sklidimą dideliais atstumais. Pagal kilpų gravitaciją, šviesa negali būti tolydi – ji turi sutilpti į erdvės groteles. Kuo trumpesnė banga, tuo labiau grotelės ją iškraipo – tarsi erdvėlaikio atomai daužytų šviesos bangas. Todėl skirtingų ilgių šviesos bangos keliauja skirtingais greičiais. Ir nors tie skirtumai labai nežymūs, per ilgą laiką jie gali susikaupti. Tolimi šaltiniai, tokie kaip gama spindulių, leidžia geriausiai pamatyti tą efektą⁶.

Parengė Cpt.Astera's Advisor

Nuorodos

¹⁾ L. Smolin. Atoms of Space and Time// Sci.Am., Jan. 2004
²⁾ C. Burgess, F. Quevedo. The Great Cosmic Roller-Coaster Ride// Sci.Am., Nov. 2007 ir J. Ambjorn and al. The Self-Organizing Quantum Universe// Sci.Am., July 2008
³⁾ G. Veneziano. The myth of the Beginning of Time// Sci.Am., May 2004
⁴⁾ A.M. Carrol. The Cosmic Origins of Time's Arrow// Sci.Am., June 2008
⁵⁾ R.R. Caldwell, M. Kamionkowski. Echoes from the Bing Bang// Sci.Am., Jan. 2001
⁶⁾ W.B. Atwood, P. F. Michelson, S. Ritz. Window on the Extreme Universe// Sci.Am., Dec.2007

Papildomai skaitykite:
Visatos modeliai
Didysis sprogimas
Sprogimai Visatoje
Tamsioji materija
Besiplečianti Visata
Apnuoginti singuliarumai
Juodųjų skylių portretas
Kai susiduria galaktikos...
Nekritinė stygų teorija
DNR ir kelionės laike
Juodųjų skylių paradoksai
Laiko ir erdvės atskyrimas
Bendroji reliatyvumo teorija
Kokia yra Visata? Sukasi?
Nepaprastai masyvios ir ryškios
Visatos pirmapradis karštis
Nepaprastai suderinta Visatos sandara
Kaip sukurti laiko mašiną?
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Stivenas Hokingas – nenurimstantis invalidas
Higso bosonas: labai prasta balerina
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Kvantinė mechanika: triumfas ar ribotumas?
N. Teslos tyrimų metodas ir pasaulėvaizdis
Tamsioji materija ir energija
Mūsų palydovo kilmės klausimai
Saturno keisčiausias palydovas
Hadronų koliderio kūrėjas
Nepaprasti Visatos skaičiai
Vieta, kur gimsta žvaigždės
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Stabilios būsenos teorija
Pasikėsinimas į multivisatas
Jie buvo pirmeiviais...
Antigravitacijos paieškos
Saga apie neutronus
Visatos mechanika
Saulė ir jos dėmės
Lygiagrečios visatos
Nepastovios konstantos
Papildomas matavimas
Erdvės ratilai
Triukšmai

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life. Review of our site in English

NSO.LT skiltis
Vartiklis