แบบจำลองวัฏจักรของจักรวาล: ความเสื่อมของสสารเกิดขึ้นไม่รู้จบ

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:18

ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 นักฟิสิกส์สองคนจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันเสนอแบบจำลองจักรวาลวิทยา ซึ่งบิ๊กแบงไม่ใช่เหตุการณ์พิเศษ แต่กาลอวกาศดำรงอยู่นานก่อนเอกภพจะเกิด

ในแบบจำลองวัฏจักร เอกภพต้องผ่านวัฏจักรการดำรงตนเองที่ไม่มีที่สิ้นสุด ในช่วงทศวรรษที่ 1930 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้เสนอแนวคิดที่ว่าจักรวาลสามารถสัมผัสกับวัฏจักรของบิ๊กแบงและการกดหน้าอกครั้งใหญ่ได้ไม่รู้จบ การขยายตัวของเอกภพของเราอาจเป็นผลมาจากการล่มสลายของเอกภพก่อนเกิด ภายในกรอบของแบบจำลองนี้ เราสามารถพูดได้ว่าจักรวาลได้ถือกำเนิดขึ้นใหม่จากการตายของบรรพบุรุษของมัน ถ้าเป็นเช่นนั้น บิ๊กแบงก็ไม่ใช่สิ่งที่ไม่เหมือนใคร มันเป็นเพียงการระเบิดเล็กๆ น้อยๆ ที่เกิดขึ้นท่ามกลางจำนวนที่นับไม่ถ้วน ทฤษฎีวัฏจักรไม่จำเป็นต้องเข้ามาแทนที่ทฤษฎีบิ๊กแบง แต่พยายามตอบคำถามอื่นๆ เช่น เกิดอะไรขึ้นก่อนบิ๊กแบง และเหตุใดบิ๊กแบงจึงนำไปสู่ช่วงเวลาของการขยายตัวอย่างรวดเร็ว

หนึ่งในแบบจำลองวัฏจักรใหม่ของจักรวาลเสนอโดย Paul Steinhardt และ Neil Turok ในปี 2544 Steinhardt อธิบายโมเดลนี้ในบทความของเขา ซึ่งเรียกว่า The Cyclic Model of the Univers ในทฤษฎีสตริง เมมเบรน หรือ "เบรน" เป็นวัตถุที่มีอยู่ในหลายมิติ ตาม Steinhardt และ Turok สามมิติเชิงพื้นที่ที่เราเห็นนั้นสอดคล้องกับ branes เหล่านี้ 3D branes สามารถมีอยู่คู่ขนานกัน โดยคั่นด้วยมิติที่ซ่อนอยู่เพิ่มเติม แบรนเหล่านี้ - เรียกได้ว่าเป็นแผ่นโลหะ - สามารถเคลื่อนที่ไปตามมิติพิเศษนี้และชนกัน ทำให้เกิดบิกแบง และดังนั้นจึงเป็นจักรวาล (เช่นของเรา) เมื่อพวกเขาชนกัน เหตุการณ์ต่างๆ จะเผยออกมาตามแบบจำลองมาตรฐานของบิ๊กแบง: สสารร้อนและรังสีถูกสร้างขึ้น พองตัวอย่างรวดเร็ว จากนั้นทุกอย่างก็เย็นลง และโครงสร้างเช่นกาแล็กซี ดวงดาว และดาวเคราะห์ก็ก่อตัวขึ้น อย่างไรก็ตาม Steinhardt และ Turok โต้แย้งว่ามีปฏิสัมพันธ์ระหว่าง brane เหล่านี้อยู่เสมอ ซึ่งพวกเขาเรียกว่า inter-brane: มันดึงมันเข้าด้วยกัน ทำให้พวกเขาชนกันอีกครั้งและทำให้เกิด Big Bang ตัวต่อไป

แบบจำลองของ Steinhardt และ Turok ยังคงท้าทายสมมติฐานบางประการของแบบจำลองบิ๊กแบง ตัวอย่างเช่น ตามที่พวกเขากล่าว บิ๊กแบงไม่ใช่จุดเริ่มต้นของอวกาศและเวลา แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงจากช่วงก่อนหน้าของวิวัฒนาการ ถ้าเราพูดถึงโมเดลบิ๊กแบง แสดงว่าเหตุการณ์นี้เป็นจุดเริ่มต้นของอวกาศและเวลาทันที นอกจากนี้ ในวัฏจักรของการชนกันของ branes โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลจะต้องถูกกำหนดโดยขั้นตอนการบีบอัด นั่นคือ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นก่อนที่มันจะชนกันและเกิดบิกแบงครั้งต่อไป ตามทฤษฎีบิกแบง โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลถูกกำหนดโดยช่วงเวลาของการขยายตัวอย่างรวดเร็ว (อัตราเงินเฟ้อ) ซึ่งเกิดขึ้นไม่นานหลังจากการระเบิด ยิ่งไปกว่านั้น แบบจำลองบิ๊กแบงไม่ได้ทำนายว่าเอกภพจะอยู่ได้นานแค่ไหน และในแบบจำลองสไตน์ฮาร์ดนั้น ระยะเวลาของแต่ละรอบจะอยู่ที่ประมาณหนึ่งล้านล้านปี

ข้อดีของแบบจำลองวัฏจักรของจักรวาลก็คือ มันสามารถอธิบายค่าคงที่ของจักรวาลที่เรียกว่าค่าคงที่จักรวาลได้ ซึ่งต่างจากแบบจำลองของบิ๊กแบง ขนาดของค่าคงที่นี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาล ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมอวกาศถึงขยายตัวอย่างรวดเร็ว จากการสังเกตพบว่าค่าคงที่จักรวาลมีค่าน้อยมากจนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ เชื่อกันว่าค่าของมันคือ 120 คำสั่งของขนาดน้อยกว่าที่ทฤษฎีบิ๊กแบงมาตรฐานคาดการณ์ไว้ ความแตกต่างระหว่างการสังเกตและทฤษฎีนี้เป็นปัญหาที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งในจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้ ได้รับข้อมูลใหม่เกี่ยวกับการขยายตัวของจักรวาลตามที่มันขยายเร็วกว่าที่เคยคิดไว้ ยังคงต้องรอการสังเกตใหม่และการยืนยัน (หรือการพิสูจน์) ของข้อมูลที่ได้รับแล้ว

Steven Weinberg ผู้ได้รับรางวัลโนเบลปี 1979 พยายามอธิบายความแตกต่างระหว่างการสังเกตและการทำนายแบบจำลองโดยใช้สิ่งที่เรียกว่าหลักการมานุษยวิทยา ค่าคงที่ของจักรวาลนั้นสุ่มและแตกต่างกันไปตามส่วนต่างๆ ของจักรวาล เราไม่ควรแปลกใจที่เราอาศัยอยู่ในพื้นที่หายากเช่นนี้ ซึ่งเราสังเกตเห็นค่าคงที่นี้เพียงเล็กน้อย เนื่องจากดาว ดาวเคราะห์ และสิ่งมีชีวิตสามารถพัฒนาได้ด้วยค่านี้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์บางคนไม่พอใจกับคำอธิบายนี้เนื่องจากไม่มีหลักฐานว่าค่านี้แตกต่างกันในภูมิภาคอื่นๆ ในจักรวาลที่สังเกตได้

โมเดลที่คล้ายกันได้รับการพัฒนาโดย Larry Abbott นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันในทศวรรษ 1980 อย่างไรก็ตามในแบบจำลองของเขาการลดลงของค่าคงที่จักรวาลถึงค่าต่ำนั้นนานมากจนสสารทั้งหมดในจักรวาลในช่วงเวลาดังกล่าวจะกระจัดกระจายในอวกาศโดยแท้จริงแล้วว่างเปล่า ตามแบบจำลองวัฏจักรจักรวาลของ Steinhardt และ Turok สาเหตุที่ค่าคงที่ของจักรวาลวิทยามีขนาดเล็กมาก ก็คือว่าในตอนแรกมันมีขนาดใหญ่มาก แต่เมื่อเวลาผ่านไป ในแต่ละรอบใหม่ ค่าคงที่ของจักรวาลก็ลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในการระเบิดครั้งใหญ่แต่ละครั้ง ปริมาณของสสารและการแผ่รังสีในจักรวาลจะ "เป็นศูนย์" แต่ไม่ใช่ค่าคงที่ของจักรวาล ในหลายรอบ ค่าของมันลดลง และวันนี้เราสังเกตเห็นค่านี้ (5, 98 x 10-10 J / m3) อย่างแน่นอน

ในการให้สัมภาษณ์ Neil Turok ได้พูดถึงแบบจำลองจักรวาลวัฏจักรของเขาและ Steinhardt ดังนี้:

“เราได้เสนอกลไกที่ทฤษฎี superstring และทฤษฎี M (ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่ดีที่สุดของเรารวมกัน) ช่วยให้จักรวาลผ่านบิ๊กแบงได้ แต่เพื่อให้เข้าใจว่าสมมติฐานของเรามีความสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์หรือไม่ จำเป็นต้องมีการทำงานเชิงทฤษฎีเพิ่มเติม"

นักวิทยาศาสตร์หวังว่าการพัฒนาเทคโนโลยีจะมีโอกาสทดสอบทฤษฎีนี้ร่วมกับคนอื่นๆ ดังนั้น ตามแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน (ΛCDM) ช่วงเวลาที่เรียกว่าอัตราเงินเฟ้อตามหลังบิ๊กแบงไม่นาน ซึ่งทำให้จักรวาลเต็มไปด้วยคลื่นโน้มถ่วง ในปี 2558 มีการบันทึกสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งรูปร่างใกล้เคียงกับการทำนายสัมพัทธภาพทั่วไปสำหรับการรวมตัวของหลุมดำสองแห่ง (GW150914) ในปี 2560 นักฟิสิกส์ Kip Thorne, Rainer Weiss และ Barry Barish ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบครั้งนี้ ในเวลาต่อมา คลื่นความโน้มถ่วงก็ถูกบันทึกจากเหตุการณ์การควบรวมกิจการของดาวนิวตรอนสองดวง (GW170817) อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงจากอัตราเงินเฟ้อของจักรวาล นอกจากนี้ Steinhardt และ Turok ยังตั้งข้อสังเกตว่าหากแบบจำลองของพวกเขาถูกต้อง คลื่นความโน้มถ่วงดังกล่าวจะเล็กเกินไปที่จะ "ตรวจพบ"