Singuliarumas ir sukūrimo akimirka

Scenos paruošimas: Ką turime omenyje sakydami „singuliarumas“?
Kasdienėje kalboje singuliarumas dažnai asocijuojasi su be galo mažu ir be galo tankiu tašku. Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje, matematiškai kalbant, singuliarumas yra vieta, kur medžiagos tankis ir erdvėlaikio kreivumas tampa begaliniai, o teorijos lygtys nebesuteikia prasmingų prognozių.

Didžiojo sprogimo singuliarumas
Klasikiniame Didžiojo sprogimo modelyje (be infliacijos ar kvantinės mechanikos), „atsukus laikrodį atgal“, visa Visatos medžiaga ir energija susitelkia į vieną tašką laike, t = 0. Tai ir yra Didžiojo sprogimo singuliarumas. Tačiau šiuolaikiniai fizikai jį vertina pirmiausia kaip ženklą, kad bendrasis reliatyvumas nebegalioja itin didelės energijos bei labai mažo mastelio srityse – gerokai anksčiau, nei iš tikrųjų pasiekiamas „begalinis tankis“.

Kodėl tai problematiška?
Tikras singuliarumas reikštų, kad susiduriame su begaliniais dydžiais (tankiu, temperatūra, kreivumu). Standartinėje fizikoje bet kokios begalybės paprastai rodo, jog mūsų modelis neapima viso reiškinio. Įtariama, kad kvantinė gravitacijos teorija – tokia, kuri suderintų bendrąjį reliatyvumą su kvantine mechanika – galiausiai paaiškins pačias ankstyviausias akimirkas.

Trumpai tariant, įprastinis „singuliarumas“ tėra vietos žymuo nežinomai sričiai; tai riba, ties kuria dabartinės teorijos nustoja veikti.

2. Planko era: kur baigiasi mums žinoma fizika

Prieš prasidedant kosminei infliacijai, yra trumputis laiko langas, vadinamas Planko era, pavadintas pagal Planko ilgį (
≈ 1,6×10^(-35) metrų) ir Planko laiką (
≈ 10^(-43) sekundžių). Energijos lygiai tuo metu buvo tokie dideli, kad ir gravitacijos, ir kvantiniai reiškiniai tapo esminiai. Svarbiausi dalykai:

Planko mastelis
Temperatūra galėjo priartėti prie Planko temperatūros (
≈ 1,4×10^(32) K). Šiuo masteliu erdvėlaikio struktūra galėjo patirti kvantines fluktuacijas itin mažame mastelyje.

„Teorinės dykumos“
Šiuo metu neturime pilnai išbaigtos ir eksperimentiškai patikrintos kvantinės gravitacijos teorijos (pvz., stygų teorijos, kilpinės gravitacijos teorijos), kuri paaiškintų, kas tiksliai vyksta tokiuose energijos lygiuose. Dėl to klasikinio singuliarumo sampratą gali pakeisti kiti reiškiniai (pvz., „šuolis“, kvantinės putos fazė ar stygų teorijos pirminė būsena).

Erdvės ir laiko užsimezgimas
Gali būti, kad erdvėlaikis, kaip mes jį suprantame, tuomet ne tiesiog „susisuko į tašką“, o išgyveno visiškai kitokią transformaciją, kuriai galiojo dar neatrastos gamtos dėsniai.

3. Kosminė infliacija: paradigmos lūžis

3.1. Ankstyvieji užuomazgos ir Alano Guto proveržis

Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje tokie fizikai kaip Alanas Guthas ir Andrejus Lindė pastebėjo būdą išspręsti kelias Didžiojo sprogimo modelio mįsles, pasiūlydami, kad ankstyvojoje Visatoje vyko eksponentinis plėtimasis. Šis reiškinys, vadinamas kosmine infliacija, kyla dėl labai didelės energijos lauko (dažnai vadinamo „infliatonu“).

Infliacija padeda išspręsti šias pagrindines problemas:

• Horizonto problema. Tolimos Visatos sritys (pavyzdžiui, priešingose kosminės foninės spinduliuotės pusėse) atrodo beveik vienodos temperatūros, nors, regis, šviesa ar šiluma neturėjo pakankamai laiko tarp jų nukeliauti. Infliacija numato, kad tos sritys kadaise buvo arti vienos kitos, o vėliau sparčiai „ištemptos“, todėl jų temperatūros tapo panašios.
• Plokštumo (lygumo) problema. Stebėjimai rodo, kad Visata yra beveik geometriškai plokščia. Spartus eksponentinis plėtimasis lyg „išlygina“ bet kokį pradinį kreivumą, kaip pripūtus balioną dingsta raukšlės mažame plote ant jo paviršiaus.
• Monopolių problema. Kai kurios didžiosios vieningosios teorijos prognozuoja masyvių magnetinių monopolinių dalelių ar kitokių egzotinių reliktų susidarymą esant aukštai energijai. Infliacija praretina šiuos reliktus iki nereikšmingai mažo kiekio, taip suderindama teoriją su stebėjimais.

3.2. Infliacijos mechanika

Infliacijos metu – trunkančios labai menką sekundės dalį (maždaug nuo 10^(-36) iki 10^(-32) sekundės po Didžiojo sprogimo) – Visatos mastelio koeficientas padidėja daug kartų. Energija, varanti infliaciją (infliatonas), užvaldo Visatos dinamiką ir veikia panašiai kaip kosmologinė konstanta. Kai infliacija baigiasi, infliatonas suyra į karštą dalelių „sriubą“ – šis procesas vadinamas perkeitimu (reheating). Būtent taip prasideda mums įprasta karštos ir tankios Visatos plėtra.

4. Itin aukštų energijų sąlygos

4.1. Temperatūra ir dalelių fizika

Infliacijai pasibaigus ir ankstyvojo „karštojo Didžiojo sprogimo“ stadijoje Visatoje viešpatavo milžiniškos temperatūros, galėjusios sukurti gausybę fundamentaliųjų dalelių – kvarkų, leptonų, bozonų. Šios sąlygos dešimtimis milijardų kartų pranoko ką nors, kas yra pasiekiama šiuolaikiniuose dalelių greitintuvuose.

• Kvarkų-gliuonų plazma. Pirmosiomis mikrosekundėmis Visata buvo pripildyta laisvųjų kvarkų ir gliuonų „jūra“, panaši į tą, kuri trumpai sukuriama dalelių greitintuvuose (pvz., Didžiajame hadronų greitintuve, LHC). Tačiau tuomet energijos tankiai buvo daug kartų didesni ir apėmė visą kosmosą.
• Simetrijos suirimai (angl. symmetry breaking). Itin didelės energijos veikiausiai lėmė fazinius virsmus, kai fundamentaliųjų jėgų – elektromagnetinės, silpnosios ir stipriosios – elgesys keitėsi. Vėstant Visatai, šios jėgos „atsiskyrė“ (arba „sutrūko“) iš labiau vieningos būsenos į tas, kurias stebime šiandien.

4.2. Kvantinių fluktuacijų vaidmuo

Viena iš svarbiausių infliacijos idėjų yra ta, kad infliatono lauko kvantinės fluktuacijos buvo „ištemptos“ iki makroskopinių mastelių. Pasibaigus infliacijai, šie „nelygumai“ tapo medžiagos ir tamsiosios medžiagos tankio netolygumais. Regionai su šiek tiek didesniu tankiu ilgainiui susitraukė veikiami gravitacijos ir suformavo žvaigždes bei galaktikas, kurios egzistuoja iki šių dienų.

Taigi, kvantiniai reiškiniai ankstyviausioje sekundės dalyje tiesiogiai lėmė dabartinę Visatos stambiąją struktūrą. Kiekvienas galaktikų spiečius, kosminis filamentas ir tuštuma gali atsekti savo kilmę nuo infliacinių kvantinių bangelių.

5. Nuo singuliarumo prie begalinių galimybių

5.1. Ar singuliarumas tikrai egzistavo?

Kadangi singuliarumas reiškia, jog klasikinės fizikos lygtys duoda begalinius rezultatus, daugelis fizikų mano, kad tikroji istorija kur kas sudėtingesnė. Galimos alternatyvos:

• Jokio tikro singuliarumo. Būsima kvantinės gravitacijos teorija gali „pakeisti“ singuliarumą į būseną, kur energija yra labai didelė, bet ne begalinė, arba į kvantinį „šuolį“ (bounce), kai ankstesnė traukimosi Visata pereina į plėtimąsi.
• Amžinoji infliacija. Kai kurios teorijos siūlo, kad infliacija gali vykti be paliovos platesnėje daugialypėje erdvėje (multivisatoje). Tuomet mūsų regimoji Visata gali būti tik viena „burbuliukinė“ Visata, iškilusi nuolatinėje infliacinėje terpėje. Tokiame modelyje kalbėti apie singuliarią pradžią galima tik lokaliu, o ne visuotiniu mastu.

5.2. Kosminė kilmė ir filosofinės diskusijos

Singuliarios pradžios idėja paliečia ne tik fiziką, bet ir filosofiją, teologiją bei metafiziką:

• Laiko pradžia. Daugelyje standartinių kosmologinių modelių laikas prasideda ties t = 0, tačiau kai kuriuose kvantinės gravitacijos ar cikliniuose modeliuose gali būti prasmės kalbėti apie „buvimą prieš Didįjį sprogimą“.
• Kodėl yra kažkas, o ne niekas? Fizika gali paaiškinti Visatos raidą nuo labai aukštų energijų laikotarpio, bet pačios galutinės kilmės – jei tokia egzistuoja – klausimas išlieka itin gilus.

6. Stebėjimų įrodymai ir testai

Infliacijos paradigma pateikė keletą patikrinamų prognozių, kurias patvirtino kosminės foninės spinduliuotės (CMB) ir stambiosios struktūros stebėjimai:

• Plokščia geometrija. CMB temperatūros svyravimų matavimai (COBE, WMAP, Plancko palydovai) rodo, kad Visata yra beveik plokščia, kaip ir prognozavo infliacija.
• Vientisumas su nedidelėmis perturbacijomis. CMB temperatūros fluktuacijų spektras gerai dera su infliacinių kvantinių svyravimų teorija.
• Spektrinis posvyris. Infliacija numato nedidelį „posvyrį“ pradinių tankio svyravimų galios spektre – ir tai sutampa su stebėjimais.

Fizikai toliau tobulina infliacijos modelius, ieškodami pradinių gravitacinių bangų – erdvėlaikio bangavimų, galėjusių atsirasti infliacijos metu. Tai būtų kitas didelis eksperimentinis žingsnis infliacijos teorijai patvirtinti.

7. Kodėl tai svarbu?

Singuliarumo ir Visatos sukūrimo akimirkos supratimas nėra tik įdomus faktas. Tai paliečia:

• Fundamentaliąją fiziką. Tai lemiamas taškas, kuriame bandome sujungti kvantinę mechaniką ir gravitaciją.
• Struktūros formavimąsi. Atskleidžia, kodėl Visata atrodo taip, kaip atrodo – kaip susiformavo galaktikos, spiečiai ir kaip visa tai kinta ateityje.
• Kosminę kilmę. Padeda spręsti giliausius klausimus: iš kur viskas atsirado, kaip vystosi ir ar mūsų Visata unikali.

Visatos gimimo tyrimai atspindi žmonijos gebėjimą suprasti ekstremaliausias sąlygas, remiantis tiek teorija, tiek kruopščiais stebėjimais.

Baigiamosios mintys

Pirminis Didžiojo sprogimo „singuliarumas“ greičiau žymi dabartinių modelių galimybių ribą, o ne tikrą begalinio tankio būseną. Kosminė infliacija patikslina šį vaizdą, teigdama, kad ankstyvojoje Visatoje vyko spartus eksponentinis plėtimasis, kuris parengė dirvą karštai ir tankiai plėtrai. Ši teorinė schema elegantiškai paaiškina daugelį anksčiau gluminusių stebėjimų ir yra tvirtas pamatas dabartiniam mūsų supratimui, kaip Visata plėtojosi per 13,8 milijardo metų.

Vis dėlto lieka nemažai neatsakytų klausimų. Kaip tiksliai prasidėjo infliacija ir koks yra infliatono lauko pobūdis? Ar mums būtina kvantinės gravitacijos teorija, kad iš tikrųjų suprastume pačią pirmąją akimirką? Ar mūsų Visata yra tik viena iš daugelio „burbuliukų“ didesnėje multivisatoje? Šie klausimai primena, kad nors fizika nepaprastai sėkmingai aiškina kosminę sukūrimo istoriją, paskutinį žodį apie singuliarumą pasakys naujos teorijos ir duomenys. Mūsų tyrinėjimai, kaip ir kada gimė Visata, tęsiasi, skatindami vis giliau pažinti pačią tikrovę.

Šaltiniai:

• • Hawking, S. W., & Ellis, G. F. R. (1973). The Large Scale Structure of Space-Time. Cambridge University Press.
    – Klasikinis darbas, nagrinėjantis erdvėlaikio kreivumą ir singuliarumo sąvokas bendrojo reliatyvumo kontekste.
  • Penrose, R. (1965). "Gravitational collapse and space-time singularities." Physical Review Letters, 14(3), 57–59.
    – Straipsnis, kuriame aptariamos sąlygos, lemiančios singuliarumo atsiradimą gravitacinio susitraukimo metu.
  • Guth, A. H. (1981). "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems." Physical Review D, 23(2), 347-356.
    – Pagrindinis darbas, pristatantis kosminės infliacijos koncepciją, padedančią išspręsti horizonto ir plokštumo problemas.
  • Linde, A. (1983). "Chaotic inflation." Physics Letters B, 129(3-4), 177-181.
    – Alternatyvus infliacijos modelis, aptariantis galimus infliacijos scenarijus ir pradinius Visatos sąlygų klausimus.
  • 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.
    – Pateikia kosminio fono spinduliuotės stebėjimų rezultatus, kurie patvirtina infliacijos prognozes.
  • Planck Collaboration. (2018). "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters." Astronomy & Astrophysics.
    – Naujausi kosmologiniai duomenys, leidžiantys tiksliai apibrėžti Visatos geometriją bei jos evoliuciją.
  • Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
    – Išsamus darbas apie kvantinę gravitaciją, aptariantis alternatyvas tradiciniam singuliarumo požiūriui.
  • Ashtekar, A., Pawlowski, T., & Singh, P. (2006). "Quantum nature of the big bang: Improved dynamics." Physical Review D, 74(8), 084003.
    – Straipsnis, kuriame nagrinėjama, kaip kvantinės gravitacijos teorijos gali pakeisti klasikinį Didžiojo sprogimo singuliarumo požiūrį, siūlant kvantinį "šuolį" (bounce) kaip alternatyvą.