algemeen

Hoe was ons universum vóór de oerknal?

Theoretici en kosmologen moeten zoekenantwoorden op de meest fundamentele vragen: "Waarom zijn we hier?", "Wanneer verscheen het Universum?" en "Hoe gebeurde dit?" Echter, ondanks het overduidelijke belang van het vinden van antwoorden op deze vragen, is er een vraag die ze allemaal met haar interesse overschaduwt: "Wat was voor de oerknal? '

Laten we eerlijk zijn: we kunnen deze vraag niet beantwoorden. Niemand kan dat. Maar niemand verbiedt om over dit onderwerp te speculeren en verschillende interessante veronderstellingen te overwegen? Ik ben het hiermee eens, bijvoorbeeld, Sean Carroll van het California Institute of Technology. Vorige maand nam Carroll deel aan een tweejaarlijkse bijeenkomst van de American Astronomical Society, waar hij verschillende 'pre-explosieve' scenario's voorstelde, wiens 'akkoord' het uiterlijk van ons universum zou kunnen zijn. Nogmaals, dit is slechts een discussie, geen theorie, dus houd hier rekening mee.

"Op dat moment waren de natuurwetten die we kennen op dat moment nog niet van kracht, omdat" ze toen nog niet bestonden ", zegt Carroll.

“Wanneer natuurkundigen zeggen dat ze geen idee hebben wattoen gebeurde het, ze zeggen het in alle ernst. Dit stuk geschiedenis is volkomen duister ', zegt Peter Voight, een theoretisch natuurkundige aan de Columbia University.

Een van de vreemdste eigenschappen van ons universumis dat het een zeer laag niveau van entropie heeft. Deze term heeft veel interpretaties, maar in dit geval hebben we het over de mate van wanorde. En in het geval van het Universum is er meer orde in dan wanorde. Stel je een bom voor die gevuld is met zand. De bom explodeert en de miljarden miljarden zandkorrels die erin zitten vliegen uit elkaar - voor je staat in wezen een model van de oerknal.

“Alleen in plaats van de verwachte chaotische expansie, dezede zandkorrels die de materie van ons heelal vertegenwoordigen, veranderen onmiddellijk in veel kant-en-klare "zandkastelen", die op onverklaarbare wijze en zonder hulp van buitenaf werden gevormd, "zegt Stefan Countryman, een afgestudeerde student aan de Columbia University.

Het resultaat van de Big Bang kon (en mogelijk)moet) het uiterlijk van een hoog niveau van entropie van de massa in de vorm van ongelijk verdeelde materie. In plaats daarvan zien we echter stellaire systemen, sterrenstelsels en hele galactische clusters, onderling verbonden. We zien orde.

Bovendien is het belangrijk om die entropie te begrijpen, ofwanorde, met de tijd kunnen ze alleen maar toenemen - hetzelfde zandkasteel vroeg of laat en zonder hulp van buiten zal het uiteenvallen in vele zandkorrels. Bovendien, zoals Carroll aangeeft, hangt onze observatie van tijd rechtstreeks samen met het niveau van entropie sinds de komst van het universum. Tegelijkertijd kan entropie zelf worden beschouwd als een soort tijdsafhankelijke fysieke eigenschap die slechts één richting van vooruitgang heeft - in de toekomst.

Entropie kan volgens de natuurwetten dusalleen maar toenemen, maar het huidige niveau in het heelal is erg laag. Volgens Carroll kan dit maar één ding betekenen: het vroege heelal had een nog lager niveau, dat wil zeggen dat het heelal nog beter georganiseerd en geordend had moeten zijn. En dit kan op zijn beurt het idee suggereren van wat er met ons Universum is gebeurd vóór de Big Bang zelf.

“Er zijn veel mensen die zo vroeg denkenHet universum was een heel eenvoudig, oninteressant en uitdrukkingsloos systeem. Zodra u entropie aan dit probleem koppelt, verandert het perspectief echter onmiddellijk en begrijpt u dat in dit geval dingen verschijnen die moeten worden verklaard, ”gaat Carroll verder.

Zelfs als we de entropie opzij zetten, dan daarvoorwe blijven bij andere even belangrijke aspecten die op de een of andere manier moeten worden aangepast aan ons huidige universum waarin we leven. Bovendien lijkt in sommige gevallen een laag niveau van entropie minder significant dan in andere. Daarom zullen we proberen de drie meest populaire veronderstellingen te overwegen over wat er vóór de oerknal met het universum zou kunnen gebeuren.

Het Big Bounce-model

Volgens een hypothese, laagde entropie van ons universum is te wijten aan het feit dat zijn verschijning op zichzelf het resultaat was van de ineenstorting van een "vorig" universum. Deze hypothese zegt dat ons universum zou kunnen worden gevormd als gevolg van snelle compressie ("rebound"), bestuurd door de complexe effecten van kwantumzwaartekracht (singulariteit), die op zijn beurt de oerknal genereerde. Op zijn beurt kan dit erop wijzen dat we even goed kunnen leven op elk punt in een oneindige reeks opkomende Universums, en omgekeerd in de 'eerste iteratie' van het Universum.

Dit hypothetische model van het uiterlijk van het universumsoms het "Big Bounce" -model genoemd. De eerste vermelding van deze term klinkt terug in de jaren 60, maar dit model veranderde pas in de jaren 80 - begin jaren 90 in een min of meer gevormde hypothese.

Onder de minder belangrijke controversiële kwesties, het modelEr zijn duidelijke tekortkomingen van de Big Bounce. Het idee van ineenstorting in een singulariteit is bijvoorbeeld in tegenspraak met de algemene relativiteitstheorie van Einstein - de regels volgens welke zwaartekracht werkt. Natuurkundigen geloven dat het effect van een singulariteit kan bestaan ​​in zwarte gaten, maar de ons bekende fysieke wetten kunnen ons geen mechanisme verschaffen om uit te leggen waarom het 'andere universum', dat een singulariteit heeft bereikt, aanleiding zou moeten geven tot de oerknal.

"Er is niets in de algemene relativiteitstheorie dat zou duiden op een" rebound "in het nieuwe universum als gevolg van een singulariteit," zegt Sean Carroll.

Dit is echter niet het enige grote controversiële punt. Het feit is dat het "Big Bounce" -model de aanwezigheid van een rechtlijnig tijdsverloop impliceert met afnemende entropie, maar zoals hierboven vermeld, neemt entropie alleen maar toe met de tijd. Met andere woorden, volgens de natuurwetten die ons bekend zijn, is het verschijnen van een stuiterend universum onmogelijk.

Verdere ontwikkeling van het model leidde tothypothesen dat tijd in het universum cyclisch kan zijn. Maar tegelijkertijd kan het model nog steeds niet verklaren hoe de voortdurende uitbreiding van het heelal zal worden vervangen door de compressie ervan. En toch betekent dit niet noodzakelijk dat het Big Bounce-model helemaal verkeerd is. Het is mogelijk dat onze huidige theorieën er gewoon onvolmaakt over zijn en niet volledig doordacht. Uiteindelijk zijn de fysieke wetten die we nu hebben afgeleid uit de limiet, volgens welke we het universum kunnen observeren.

Model van het "slapende" universum

"Misschien, vóór de oerknal, het universumhet was een soort zeer compacte, langzaam evoluerende statische ruimte, 'theoretiseren theoretici zoals Kurt Hinterbichler, Austin Joyce en Justin Hury.

Dit 'pre-explosieve' universum zou moeten bezittenmetastabiele toestand, dat wil zeggen stabiel zijn totdat een nog stabielere toestand verschijnt. Stel je naar analogie een afgrond voor, aan de rand waarvan een kei in een staat van vibratie is. Elke aanraking met het rotsblok zal ervoor zorgen dat het in de afgrond valt of - wat dichter bij ons geval ligt - de Big Bang zal plaatsvinden. Volgens sommige theorieën zou het 'pre-explosieve' universum in een andere vorm kunnen bestaan, bijvoorbeeld in de vorm van een afgeplatte en zeer dichte ruimte. Als gevolg hiervan kwam deze metastabiele periode ten einde: het groeide dramatisch en kreeg de vorm en de staat van wat we nu zien.

"Het slaapmodel van het universum heeft echter ook zijn eigen problemen", zegt Carroll.

"Het suggereert ook de aanwezigheid van een laag niveau van entropie in ons universum en verklaart niet waarom dit zo is."

Hinterbichler, een theoretisch fysicus aan de Case Western Reserve University, beschouwt het verschijnen van een laag niveau van entropie echter niet als een probleem.

"We zijn alleen op zoek naar een verklaring van de dynamiek,wat gebeurde vóór de oerknal, wat verklaart waarom we zien wat we nu zien. Tot nu toe is dit alleen het enige dat ons nog rest ”, zegt Hinterbichler.

Carroll gelooft echter dat er een andere theorie is over het 'pre-explosieve' universum dat het lage niveau van entropie in ons universum kan verklaren.

Multiversum-model

De opkomst van nieuwe universums uit het 'ouderuniversum'

Het hypothetische multiversummodel vermijdtde weglatingen in verband met een daling van de entropie, zoals het geval is met het Big Bounce-model, bieden een verklaring voor het lage niveau ervan vandaag, zegt Carroll. Het komt voort uit het idee van "inflatie" - een goed geaccepteerd maar onvolledig model van het universum. De term "inflatie" en de eerste verklaring van dit model werden in 1981 voorgesteld door natuurkundige Alan Gut, die momenteel werkt bij het Massachusetts Institute of Technology. Volgens dit model is de ruimte na de Big Bang enorm uitgebreid. Zo abrupt dat de snelheid van deze expansie hoger bleek te zijn dan de snelheid van het licht. Volgens de kwantummechanica treden er voortdurend willekeurige, nauwelijks waarneembare energietrillingen op in de ruimte. Op een bepaald punt in de inflatoire periode bereikten de pieken van deze fluctuaties hun maximum en veroorzaakten ze het verschijnen van sterrenstelsels, holten en grootschalige lage-entropiestructuren, die we vandaag in het heelal waarnemen.

Het inflatiemodel zelf is ontwikkeld op basis vanobservaties van kosmische relikwie microgolfstraling - de oudste soort straling die slechts een paar honderdduizend jaar na de Big Bang verscheen. Wetenschappers geloven dat het inflatoire model het bestaan ​​ervan perfect voorspelt.

Volgens één veronderstelling, het multiversumkan het gevolg zijn van inflatie. De veronderstelling suggereert dat er één heel, heel groot universum is, dat van tijd tot tijd compactere universums genereert. Bovendien is geen enkele vorm van communicatie tussen deze universums mogelijk. Marcus Wu van PBS Nova legt uit:

“In de vroege jaren 80 kwamen natuurkundigen tot de conclusie datinflatie kan het karakter van oneindigheid hebben, alleen stoppen in sommige gebieden van de ruimte, waardoor een soort gesloten "zakken" ontstaat. Tussen deze "zakken" gaat de inflatie echter door en verloopt deze sneller dan de snelheid van het licht. Op hun beurt worden "zakken" geïsoleerd van elkaar universums in de loop van de tijd. "

Carroll is het meest onder de indruk van dit specifieke model, hoewel zijn eigen voorgestelde model enigszins verschilt van wat hierboven is beschreven:

“Dit is slechts een versie van de theorie vaneen multiversum, het belangrijkste verschil hier is echter dat het 'moederuniversum' een hoog niveau van entropie kan hebben en universums genereert met een laag niveau ', zegt Carroll.

Volgens dit model was er vóór de oerknaleen grote uitbreidende ruimte waaruit onze en oneindig veel andere universums zijn geboren. Andere universums liggen buiten ons vermogen om ze te detecteren en kunnen zowel vóór als na ons universum zijn gevormd.

Opgemerkt moet worden dat dit er momenteel één isvan de meest populaire modellen. Desondanks nemen wetenschappers het natuurlijk anders waar. Sommigen steunen dit idee, terwijl anderen het er integendeel helemaal niet mee eens zijn. Maar als we Peter Voight van Columbia University als voorbeeld nemen, kan de Multiverse-theorie, hoewel deze er vanuit een populair wetenschappelijk oogpunt erg aantrekkelijk uitziet, natuurkundigen lui van maken en hen laten stoppen met zoeken naar antwoorden op de meest fundamentele vragen, bijvoorbeeld waarom fysieke constanten in ons universum precies zoals ze zijn - alles afschrijven naar variabiliteit.

“Theoretici speculeren over de mogelijkheidhet bestaan ​​van een oneindig aantal universums, en uiteindelijk kunnen we met duidelijke modellen komen die kunnen verklaren waarom de waarden (zoals de fundamentele eigenschappen van de deeltjes die we waarnemen) in elk universum van elkaar kunnen verschillen, 'zegt Voight.

Voight vreest dat ooit het belangrijkste probleem voorwetenschap op dit gebied zal de discussie zijn over het onderwerp "hoe gelukkig we zijn in dit willekeurige universum, waar alles op deze manier gebeurt en niet anders, ondanks de eindeloze verscheidenheid aan mogelijkheden, dus laten we deze onderneming met theorieën opgeven."

Wat kan worden samengevat? Veel natuurkundigen ontvangen geld voor het argumenteren en schrijven van boeken waarin ze proberen te beschrijven hoe de oerknal en het model van het 'pre-explosieve' universum in staat zijn uit te leggen wat we vandaag zien, hoewel ze het zelf niet weten en eigenlijk niet weten waarom is dit zo. Het feit is dat zelfs ondanks serieuze vereenvoudigingen in zowel wiskundige modellen als verklaringen, we niet in de buurt van het juiste antwoord zijn gekomen en we nog steeds veel discussie over dit onderwerp moeten voeren totdat we het gewenste resultaat bereiken.

“Het is niet alleen belangrijk om theorieën en hypothesen naar voren te brengen. Het is veel belangrijker om mensen duidelijk te maken dat we in werkelijkheid zelf nog niet begrijpen waar we het over hebben. Dit alles is alleen op het niveau van veronderstellingen, maar ik hoop dat we vroeg of laat het juiste antwoord kunnen vinden dat voor iedereen geschikt is, ”zegt Carroll.