Czy kosmologiczną hipotezę Wielkiego Wybuchu zastąpi kiedyś hipoteza Wielkiego Odbicia? Takiego scenariusza nie wykluczają obliczenia wykonane przez zespół fizyków z NCBJ i z Francji. Badacze zaproponowali metodę uwzględnienia efektów kwantowych w analizie ewolucji wczesnego Wszechświata.

Naukowcy sądzą, że obserwacje reliktowych fal grawitacyjnych pozwolą zweryfikować badany przez nich model. O badaniach poinformowano w komunikacie na facebookowej stronie Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ.

Obserwacje astronomiczne wskazują, że galaktyki i inne odległe obiekty widoczne na niebie nieustannie oddalają się od siebie. Fizycy uważają, że dzieje się tak, gdyż to sam Wszechświat stale się rozszerza - jak powierzchnia nadmuchiwanego balona. Znając z obserwacji tempo tego rozszerzania się, można obliczyć, że proces rozpoczął się niemal 14 miliardów lat temu. Model matematyczny opisujący tę ewolucję przewiduje, że w jej najwcześniejszym stadium gęstość energii materii we Wszechświecie była nieskończona, a objętość Wszechświata była zerowa. Ten moment nazywany jest Wielkim Wybuchem. Zgodnie z modelem, w Wielkim Wybuchu swój początek miała nie tylko przestrzeń, ale i czas naszego Wszechświata, a pytanie o to, co było przed Wielkim Wybuchem po prostu nie ma sensu.

Naukowcy są jednak zgodni, że klasyczny model kosmologiczny oparty o równania Ogólnej Teorii Względności Einsteina staje się coraz mniej wiarygodny, gdy próbujemy go stosować do warunków panujących we wczesnym Wszechświecie. Można więc mieć uzasadnione wątpliwości czy wnioski wyciągane z tak niepewnego opisu są prawidłowe. Wielu teoretyków usiłuje stworzyć model bardziej doskonały, który uwzględniałby m.in. zjawiska kwantowe. Równolegle opracowywane są nowe metody obserwacji astrofizycznych pozwalających uzyskać informacje o coraz odleglejszych w czasie stadiach ewolucji Wszechświata i zweryfikować teorie kosmologiczne. M.in. podejmowane są próby pomiaru reliktowych fal grawitacyjnych niosących ślady zjawisk sprzed kilkunastu miliardów lat.

A MOŻE WIELKI WYBUCH WCALE NIE BYŁ POCZĄTKIEM?

Wiele alternatywnych modeli kosmologicznych - tworzonych zarówno na gruncie fizyki klasycznej jak i kwantowej - zakłada, że historia Wszechświata nie rozpoczęła się w Wielkim Wybuchu. Według ich autorów Wszechświat istniał wcześniej, a w czasie, na który datowany jest Wielki Wybuch, Wszechświat przeszedł jedynie z wcześniejszej fazy kurczenia się do obecnie obserwowanej fazy rozszerzania. Taki scenariusz wyłonił się także w modelu badanym obecnie przez grupę naukowców z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ i ich francuskich współpracowników. Badacze założyli, że przestrzeń jest trójwymiarową sferą.

Zgodnie z klasycznymi równaniami Einsteina, taki Wszechświat powinien się "narodzić" w osobliwości o rozmiarach punktu i o nieskończonej gęstości energii materii. Z drugiej strony, gdyby podobny Wszechświat istniał "wcześniej" w fazie zapadania się, to powstawałyby w nim i rozchodziły się falowo zaburzenia geometrii nazywane falami grawitacyjnymi. Energia zaburzeń byłaby tak duża, że Wszechświat "pod ich ciężarem" powinien zakończyć swoją ewolucję w osobliwości.

Uczonym z Warszawy i Paryża udało się pokazać, że dzięki efektom kwantowym klasyczne kurczenie i rozszerzanie się przestrzeni mogą być następującymi po sobie fazami ewolucji tego samego Wszechświata. Dzięki formalnemu podobieństwu rozważanego modelu kosmologicznego do modelu cząsteczki złożonej z ruchliwych elektronów otaczających ciężkie jądra atomowe, mogli oni wykorzystać matematyczne metody wypracowane wcześniej dla fizyki układów atomów. Okazało się, że w fazie zapadania efekty kwantowe zmniejszają "ciężar" fal grawitacyjnych, przez co kurczenie się przestrzeni jest mniej gwałtowne.

Dodatkowo, w miarę zmniejszania się objętości przestrzeni, podlega ona działaniu rozpychającej ją siły "kwantowej", która ostatecznie przeważa nad naciskiem fal grawitacyjnych. Powoduje to nagłe zatrzymanie zapadania się przestrzeni i jej gwałtowne "odbicie", czyli przejście do obecnie obserwowanej fazy kosmologicznej ekspansji. Autorzy są zdania, że unikatowe ślady dynamiki rozważanego przez nich Wielkiego Odbicia mogłyby być odnalezione także dzisiaj w badaniach reliktowych fal grawitacyjnych.

Autorami pracy są Ewa Czuchry, Przemysław Małkiewicz i Włodzimierz Piechocki z NCBJ, a także Hervé Bergeron z Universite Paris-Sud oraz Jean-Pierre Gazeau z Universite Paris Diderot. Praca, ktora ukazała się w Physical Review D została wyróżniona, jako jedna z 5 najlepszych, wykonanych w 2015 r. w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ.

PAP - Nauka w Polsce. Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl