Mi robbant fel, hogyan robbant fel, és mi okozta a robbanást
Mi robbant fel, hogyan robbant fel, és mi okozta a robbanást
Az inflációs kozmológia szempontjából el kell ismernünk, hogy az Univerzum semmit sem kapott nekünk.
Egyik nap az 1980-as évek legközönségesebb téli napján, dél körül, egy zsúfolt Harvard közönségben ülve hallgattam a legcsodálatosabb jelentést mindazokról, amelyeket sok éven át meglátogattam. Egy fiatal fizikus, Stanford, Alan Guth beszélt egy új elméletről a világegyetem eredetéről.
Ezzel a megjegyzéssel elkezdek postázni itt részleteket Alexander Vilenkin csodálatos World of Many Worlds könyvéből
A fizikusok párhuzamos univerzumokat keresnek.
Korábban nem találkoztam Gutdal, de tudtam, hogy váratlanul ez a korábban ismeretlen tudós hirtelen hírességgé vált. Csak egy hónappal korábban a "postdoks" nomád törzséhez tartozott - fiatal kutatók, akik ideiglenes szerződésekkel szakítottak egy nap reményében, hogy megkülönböztessék magukat és állandó egyetemi foglalkozást folytassanak. Gut számára ez nem volt a legjobb: 32 éves korában már egy kicsit túl öreg volt a fiatal törzs számára, és a szerződésjavaslatok folyamata kiszáradni kezdett. Ekkor jött egy jó gondolat, és mindent megváltoztatott.
Gut kiderült, hogy alázatosan mozgékony fiatalember, hosszú évekig "poszt-Dokovsk" vándorlás, amely nem veszítette el a fiúk lelkesedését. Rögtön világossá tette, hogy nem próbálja megcáfolni a Big Bang elméletét. Nem volt rá szükség. Ennek az elméletnek a pozíciói nagyon erősek voltak, a bizonyítékok pedig nagyon meggyőzőek.
A legerősebb érv az Univerzum kiterjesztése, amelyet 1929-ben felfedeztek Edwin Hubble. Megállapította, hogy távoli galaxisok repülnek el tőlünk. Ha a galaxisok mozgását időben visszamenőleg nyomon követjük, akkor a múltban valamennyire összeolvadnak, ami a világegyetem robbanásszerű eredetét jelzi.
A Big Bang másik fontos megerősítése a kozmikus mikrohullámú sugárzás. A tér tele van elektromágneses hullámokkal, ugyanolyan frekvenciával, mint a hagyományos mikrohullámú sütőkben. A sugárzás intenzitása a világegyetem kiterjedésével csökken, így most már csak a halvány izzó primer tűzlabdát látjuk.
A Big Bang elmélet szolgálja a kozmológusokat annak tanulmányozására, hogy ez a tűzgolyó kibővült és lehűlt, ahogyan az atommagok is, és hogy a galaxisok hatalmas spiráljai hogyan alakultak ki a formázatlan gázfelhőkből. E tanulmányok eredményei tökéletesen össze voltak hangolva a csillagászati megfigyelésekkel, és ez kevés gondot okozott abban, hogy az elmélet a helyes irányba fejlődött. Azonban csak a Big Bang következményeit írta le, és nem szólt róla - maga Gut szavai szerint -, mi "felrobbant", hogyan "felrobbant" és mi okozta a "robbanást".
Mindent összevetve, közelebbről a Big Bang nagyon furcsán néz ki. Képzeljünk el egy csúcsot a csúcson: a legcsekélyebb nyomást - és ez csökkenni fog. Így volt a Big Bang. A galaxisokkal teli hatalmas világot csak azzal a feltétellel alakítjuk ki, hogy az elsődleges robbanás energiája összeegyeztethetetlen az elképzelhetetlen pontossággal. Egy elhanyagolható eltérés kozmológiai katasztrófához vezet: vagy a tűzgolyó saját gravitáció alatt összeomlik, vagy a világegyetem majdnem üres.
A Big Bang kozmológiája egyszerűen azt állítja, hogy a tűzgolyó rendelkezik a szükséges tulajdonságokkal. A fizikusok közül az uralkodó nézet az volt, hogy a tudomány leírja, hogyan fejlődött az univerzum egy adott kezdeti konfigurációból, de megpróbálja megérteni, hogy miért kezdődött pontosan ezzel a konkrét állapotgal a fizika hatálya. A kezdeti állapothoz kapcsolódó kérdéseket "filozófiáknak" tekintették, ami a fizikusok nyelvén időveszteséget jelent. Ez a véleménnyel azonban a Big Bang kevésbé titokzatos volt.
És most Gut azt mondta nekünk, hogy a nagy bumm körüli titokzatos fátyol felemelhető. Egy új elmélet felfedheti annak természetét és megmagyarázza, miért olyan finoman hangolt az elsődleges tűzgolyó. A közönség megnyugodott. Mindenki izgatta.
Az új elmélet szokatlanul egyszerű magyarázatot adott a Big Bangnek: az univerzum dagadt a visszataszító gravitációval! Az elméletben kulcsszerepet játszott a rendkívül szokatlan tulajdonságokkal rendelkező hipotetikus szuperdenzitás. A legkülönösebbek közöttük az volt, hogy hatalmas, visszataszító gravitációs teret hoztak létre. Guth azt javasolta, hogy a korai univerzumban volt egy bizonyos mennyiségű ilyen kérdés. Nem volt szüksége sokra: egy apró darab elég.
Ábra. 1.1. Egy darab gravitációsan visszataszító anyag.
A belső gravitációs visszatulajdonítás miatt ez a darab nagyon gyorsan növekedni fog. Ha ez a közönséges anyagból származik, sűrűsége a bővítéssel esik, de a furcsa antigravitációs anyag viszonylag eltérő módon viselkedik: második kulcsfontosságú tulajdonsága az állandó sűrűség, így össztömege arányos a térfogatával. A darab nagysága növekszik, tömege nő, hogy visszataszító gravitációja erősebbé válik és gyorsabban bővül. Az ilyen gyorsított terjeszkedés rövid időszaka, amit Guth az inflációnak nevezett, egy apró, eredeti példányt növelhet a szörnyű arányokhoz, amelyek meghaladják a mai napig megfigyelt teljes univerzumot.
A tömegnek az infláció során tapasztalt növekedése első pillantásra úgy tűnik, hogy megsérti a természet legfontosabb törvényét - az energiatakarékosság elvét. Einstein híres E = mc 2 képlet szerint az energia arányos a tömeggel. (Itt E az energia, m a tömeg, c pedig a fénysebesség.) Kiderül, hogy az anyag duzzadó darabjának energiája óriási hányszor növekszik, míg az energia megőrzésének törvénye állandó marad. Ez a paradoxon eltűnik, ha figyelembe vesszük a gravitáció által nyújtott energiához való hozzájárulást. Régóta ismert, hogy a gravitációs energia mindig negatív. Korábban nem tűnt olyan fontosnak, de most igazán kozmikus jelentőséggel bír. Míg az anyag pozitív energiája növekszik, kompenzálja a növekvő negatív gravitációs energiát. A teljes energia állandó marad, ahogy azt a természetvédelmi törvény előírja.
Az infláció befejezésének biztosításához Guth bevezette azt a feltételt, hogy a gravitációsan visszataszító anyagnak instabilnak kell lennie. A bomlás során az energiája forró tűzgömböt hoz létre az elemi részecskékből. A tehetetlenség szerint tovább nő, de most a közönséges anyagból áll, súlyossága vonzóvá válik, és a terjeszkedés fokozatosan lelassul. Az antigravitációs anyag bomlása pillanatában az infláció véget ért, és ebben az elméletben játszik szerepet a Big Bang.
Ennek az ötletnek a szépsége az volt, hogy egy ütemben az infláció magyarázta, miért olyan nagy az univerzum, miért terjed, és miért olyan meleg volt először.
A hatalmas kiterjedt univerzum szinte semmiből nem jött létre. Erre csak egy mikroszkopikus darab gravitációsan visszataszító anyag volt. Gut őszintén elismerte, hogy nem tudja, honnan jött ez a darab, de nehéz volt megtagadni az eredményeit. "Gyakran azt mondják, hogy nem kaphat valamit a semmiből" - mondta -, de hosszú távon a világegyetem nem adhatna nekünk semmiért. "