Singuliarums ir radīšanas brīdis

Skenas sagatavošana: Ko mēs domājam, sakot “singulāritāte”?
Ikdienas valodā singulāritāte bieži asociējas ar bezgalīgi mazu un bezgalīgi blīvu punktu. Einšteina vispārējā relativitātes teorijā, matemātiski runājot, singulāritāte ir vieta, kur vielas blīvums un telpas-laika izliekums kļūst bezgalīgi, un teorijas vienādojumi vairs nesniedz jēgpilnas prognozes.

Lielā sprādziena singulāritāte
Klasiskajā Lielā sprādziena modelī (bez inflācijas vai kvantu mehānikas), "atskrūvējot pulksteni atpakaļ", visa Visuma viela un enerģija koncentrējas vienā punktā laikā, t = 0. Tas ir Lielā sprādziena singulāritāte. Tomēr mūsdienu fiziķi to galvenokārt uztver kā signālu, ka vispārējā relativitāte vairs nestrādā ļoti augstas enerģijas un ļoti maza mēroga apgabalos – daudz agrāk, nekā patiesībā tiek sasniegts "bezgalīgs blīvums".

Kāpēc tas ir problemātiski?
Patiesa singulāritāte nozīmētu, ka saskaramies ar bezgalīgiem lielumiem (blīvumu, temperatūru, izliekumu). Standarta fizikā jebkura bezgalība parasti norāda, ka mūsu modelis neaptver visu fenomenu. Pieņemams, ka kvantu gravitācijas teorija – tāda, kas apvieno vispārējo relativitāti ar kvantu mehāniku – galu galā izskaidros pašas agrīnākās mirkļus.

Vienkārši sakot, parastā "singulāritāte" ir tikai vietas atzīme nezināmai jomai; tā ir robeža, kur pašreizējās teorijas pārstāj darboties.

2. Planka ēra: kur beidzas mums zināmā fizika

Pirms kosmiskās inflācijas sākuma ir īss laika logs, ko sauc par Planka ēru, nosaukts pēc Planka garuma (
≈ 1,6×10^(-35) metri) un Planka laiku (
≈ 10^(-43) sekundes). Enerģijas līmeņi tajā laikā bija tik augsti, ka gan gravitācija, gan kvantu fenomeni kļuva būtiski. Svarīgākie aspekti:

Planka mērogs
Temperatūra varēja pietuvoties Planka temperatūrai (
≈ 1,4×10^(32) K). Šajā mērogā telp-laika struktūra varēja piedzīvot kvantu svārstības ļoti mazā mērogā.

"Teorētiskās tuksneši"
Pašlaik mums nav pilnīgas un eksperimentāli pārbaudītas kvantu gravitācijas teorijas (piemēram, stīgu teorijas, cilpu gravitācijas teorijas), kas izskaidrotu, kas tieši notiek šādos enerģijas līmeņos. Tāpēc klasiskās singulāritātes jēdzienu var aizstāt citi fenomeni (piemēram, "lēciens", kvantu putas fāze vai stīgu teorijas primārā stāvokļa).

Telpas un laika aizsākums
Iespējams, ka telp-laiks, kā mēs to saprotam, tajā laikā ne vienkārši "sarāvās punktā", bet piedzīvoja pilnīgi citu transformāciju, kurai bija spēkā vēl neatklāti dabas likumi.

3. Kosmiskā inflācija: paradigmas lūzums

3.1. Agrīnās aizmetņi un Alana Guta izrāviens

Astotā desmitgades beigās un devītā desmitgades sākumā tādi fiziķi kā Alans Guts un Andrejs Lindē pamanīja veidu, kā atrisināt vairākas Lielā sprādziena modeļa mīklas, piedāvājot, ka agrīnā Visumā notika eksponenciāla paplašināšanās. Šo parādību sauc par kosmisko inflāciju, un tā rodas no ļoti augstas enerģijas lauka (bieži saukta par "inflatonu").

Inflācija palīdz atrisināt šīs galvenās problēmas:

• Horizonta problēma. Tālas Visuma apgabali (piemēram, pretējās kosmiskā fona starojuma pusēs) šķiet gandrīz vienādas temperatūras, lai gan, šķiet, gaismai vai siltumam nebija pietiekami daudz laika, lai ceļotu starp tām. Inflācija paredz, ka šie apgabali reiz bija tuvu viens otram, bet pēc tam strauji "izstiepti", tāpēc to temperatūras kļuva līdzīgas.
• Plaknes (līdzenuma) problēma. Novērojumi rāda, ka Visums ir gandrīz ģeometriski plakans. Ātra eksponentiāla paplašināšanās it kā "izlīdzina" jebkādu sākotnējo izliekumu, tāpat kā piepūšot balonu, uz tā virsmas nelielā laukā pazūd krokas.
• Monopolu problēma. Dažas lielās apvienotās teorijas prognozē masīvu magnētisko monopolu daļiņu vai citu eksotisku reliktu veidošanos pie augstas enerģijas. Inflācija atšķaida šos reliktus līdz nenozīmīgam daudzumam, tādējādi saskaņojot teoriju ar novērojumiem.

3.2. Inflācijas mehānika

Inflācijas laikā – kas ilgst ļoti īsu sekundes daļu (aptuveni no 10^(-36) līdz 10^(-32) sekundēm pēc Lielā sprādziena) – Visuma mērogs palielinās daudzkārtīgi. Enerģija, kas virza inflāciju (inflatons), pārvalda Visuma dinamiku un darbojas līdzīgi kā kosmoloģiskā konstante. Kad inflācija beidzas, inflatons sadalās karstā daļiņu "zupā" – šo procesu sauc par pārsildīšanu (reheating). Tieši tā sākas mums ierastā karstā un blīvā Visuma paplašināšanās.

4. Ļoti augstas enerģijas apstākļi

4.1. Temperatūra un daļiņu fizika

Pēc inflācijas beigām un agrīnajā "karstā Lielā sprādziena" stadijā Visumā valdīja milzīgas temperatūras, kas varēja radīt daudzumu fundamentālo daļiņu – kvarku, leptonu, bozonu. Šie apstākļi pārsniedza jebko, ko var sasniegt mūsdienu daļiņu paātrinātāji, desmitiem miljardu reižu.

• Kvarku-gluonu plazma. Pirmajās mikrosekundēs Visums bija piepildīts ar brīvo kvarku un gluonu "jūru", līdzīgu tai, kas īslaicīgi rodas daļiņu paātrinātājos (piemēram, Lielajā hadronu paātrinātājā, LHC). Tomēr tad enerģijas blīvumi bija daudzreiz lielāki un aptvēra visu kosmosu.
• Simetrijas sabrukumi (angl. symmetry breaking). Ļoti augstas enerģijas, visticamāk, izraisīja fāžu pārejas, kad fundamentālo spēku – elektromagnētiskā, vājā un stiprā – uzvedība mainījās. Visumam atdziestot, šie spēki "atdalījās" (vai "sabruka") no vienotākas stāvokļa uz tiem, ko novērojam šodien.

4.2. Kvantu svārstību loma

Viena no svarīgākajām inflācijas idejām ir tā, ka inflatona lauka kvantu svārstības tika "izstieptas" līdz makroskopiskām mērogām. Pēc inflācijas beigām šie "nelīdzenumi" kļuva par vielas un tumšās matērijas blīvuma nevienlīdzībām. Reģioni ar nedaudz lielāku blīvumu galu galā saruka gravitācijas ietekmē un veidoja zvaigznes un galaktikas, kas pastāv līdz mūsdienām.

Tātad kvantu parādības pašā sekundes sākumā tieši noteica pašreizējo Visuma lielo struktūru. Katrs galaktiku kopums, kosmiskais pavedienu tīkls un tukšums var izsekot savu izcelsmi no inflācijas kvantu viļņiem.

5. No singularitātes līdz bezgalīgām iespējām

5.1. Vai singularitāte patiešām pastāvēja?

Tā kā singularitāte nozīmē, ka klasiskās fizikas vienādojumi dod bezgalīgus rezultātus, daudzi fiziķi uzskata, ka īstā vēsture ir daudz sarežģītāka. Iespējamās alternatīvas:

• Nav īsta singularitāte. Nākamā kvantu gravitācijas teorija var "aizstāt" singularitāti ar stāvokli, kur enerģija ir ļoti liela, bet ne bezgalīga, vai ar kvantu "lēkumu" (bounce), kad iepriekšējais saraušanās Visums pāriet paplašināšanās stadijā.
• Mūžīgā inflācija. Dažas teorijas piedāvā, ka inflācija var notikt nepārtraukti plašākā daudzdimensionālā telpā (multiversā). Tad mūsu redzamais Visums var būt tikai viena "burbuļveida" Visuma daļa, kas radušies pastāvīgā inflācijas vidē. Šādā modelī runāt par singulāru sākumu var tikai lokālā, nevis vispārējā mērogā.

5.2. Visuma izcelsme un filozofiskas diskusijas

Singulārās sākuma ideja skar ne tikai fiziku, bet arī filozofiju, teoloģiju un metafiziku:

• Laika sākums. Daudzos standarta kosmoloģiskajos modeļos laiks sākas pie t = 0, taču dažos kvantu gravitācijas vai cikliskos modeļos var būt jēga runāt par "eksistenci pirms Lielā sprādziena".
• Kāpēc ir kaut kas, nevis nekā? Fizika var izskaidrot Visuma attīstību no ļoti augstas enerģijas perioda, bet pašas galīgās izcelsmes – ja tāda pastāv – jautājums paliek ļoti dziļš.

6. Novērojumu pierādījumi un testi

Inflācijas paradigma sniedza vairākas pārbaudāmas prognozes, ko apstiprināja kosmiskā foniskā starojuma (CMB) un lielo struktūru novērojumi:

• Plakanu ģeometriju. CMB temperatūras svārstību mērījumi (COBE, WMAP, Plancka satelīti) rāda, ka Visums ir gandrīz plakans, kā to prognozēja inflācija.
• Vienotību ar nelielām perturbācijām. CMB temperatūras svārstību spektrs labi saskan ar inflācijas kvantu svārstību teoriju.
• Spektrālo novirzi. Inflācija paredz nelielu "novirzi" sākotnējo blīvuma svārstību jaudas spektrā – un tas sakrīt ar novērojumiem.

Fiziķi turpina pilnveidot inflācijas modeļus, meklējot sākotnējās gravitācijas viļņus – telpas-laika svārstības, kas varēja rasties inflācijas laikā. Tas būtu nākamais liels eksperimentāls solis inflācijas teorijas apstiprināšanai.

7. Kāpēc tas ir svarīgi?

Singularitātes un Visuma radīšanas brīža izpratne nav tikai interesants fakts. Tas skar:

• Fundamentālo fiziku. Tas ir izšķirošs punkts, kur cenšamies apvienot kvantu mehāniku un gravitāciju.
• Struktūras veidošanos. Atklāj, kāpēc Visums izskatās tā, kā izskatās – kā veidojušās galaktikas, kopas un kā viss tas mainīsies nākotnē.
• Visuma izcelsme. Palīdz risināt dziļākos jautājumus: no kurienes viss radies, kā attīstās un vai mūsu Visums ir unikāls.

Visuma dzimšanas pētījumi atspoguļo cilvēces spēju izprast visekstrēmākos apstākļus, balstoties gan uz teoriju, gan rūpīgiem novērojumiem.

Izšķirošās domas

Lielā sprādziena "singulāritāte" drīzāk apzīmē pašreizējo modeļu iespēju robežu, nevis patiesu bezgalīga blīvuma stāvokli. Kosmiskā inflācija precizē šo ainu, apgalvojot, ka agrīnajā Visumā notika strauja eksponenciāla paplašināšanās, kas sagatavoja augsni karstai un blīvai attīstībai. Šī teorētiskā shēma eleganti izskaidro daudzus iepriekš mulsinošos novērojumus un ir stingrs pamats mūsu pašreizējai izpratnei par to, kā Visums attīstījās 13,8 miljardu gadu laikā.

Tomēr joprojām ir daudz neatbildētu jautājumu. Kā tieši sākās inflācija un kāds ir inflatona lauka raksturs? Vai mums ir nepieciešama kvantu gravitācijas teorija, lai patiesi izprastu pašus pirmos mirkļus? Vai mūsu Visums ir tikai viens no daudziem "burbuļiem" lielākā multiversā? Šie jautājumi atgādina, ka, lai gan fizika ārkārtīgi veiksmīgi skaidro kosmiskās radīšanas vēsturi, pēdējo vārdu par singulāritāti pateiks jaunas teorijas un dati. Mūsu pētījumi par to, kā un kad dzima Visums, turpinās, mudinot arvien dziļāk izprast pašu realitāti.

Avoti:

• • Hawking, S. W., & Ellis, G. F. R. (1973). The Large Scale Structure of Space-Time. Cambridge University Press.
    – Klasisks darbs, kas pēta telpas-laika izliekumu un singulāritātes jēdzienus vispārējās relativitātes kontekstā.
  • Penrose, R. (1965). "Gravitational collapse and space-time singularities." Physical Review Letters, 14(3), 57–59.
    – Raksts, kurā apskatīti apstākļi, kas izraisa singulāritātes rašanos gravitācijas sabrukuma laikā.
  • Guth, A. H. (1981). "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems." Physical Review D, 23(2), 347-356.
    – Pamatdarbs, kas iepazīstina ar kosmiskās inflācijas koncepciju, palīdzot risināt horizonta un plaknības problēmas.
  • Linde, A. (1983). "Chaotic inflation." Physics Letters B, 129(3-4), 177-181.
    – Alternatīvs inflācijas modelis, apspriežot iespējamos inflācijas scenārijus un sākotnējos Visuma apstākļus.
  • Bennett, C. L., et al. (2003). "First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Preliminary Maps and Basic Results." The Astrophysical Journal Supplement Series, 148(1), 1.
    – Sniedz kosmiskā fona starojuma novērojumu rezultātus, kas apstiprina inflācijas prognozes.
  • Planck Collaboration. (2018). "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters." Astronomy & Astrophysics.
    – Jaunākie kosmoloģiskie dati, kas ļauj precīzi noteikt Visuma ģeometriju un tās evolūciju.
  • Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
    – Izsmeļošs darbs par kvantu gravitāciju, apspriežot alternatīvas tradicionālajam singulāritātes skatījumam.
  • Ashtekar, A., Pawlowski, T., & Singh, P. (2006). "Quantum nature of the big bang: Improved dynamics." Physical Review D, 74(8), 084003.
    – Raksts, kurā tiek apskatīts, kā kvantu gravitācijas teorijas var mainīt klasisko Lielā sprādziena singulāritātes skatījumu, piedāvājot kvantu "lēkumu" (bounce) kā alternatīvu.