Wszechświat powstał przed Wielkim Wybuchem!

(fot. NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling et al. (STECF) )

Nasz Wszechświat nie musiał zrodzić się w Wielkim Wybuchu. Mógł istnieć już wcześniej, kurcząc się do granic możliwości, a następnie po "Wielkim Odbiciu" zaczął się rozszerzać, co robi do tej pory. Nowy model teoretyczny, który pomoże zweryfikować te domysły, stworzyli naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego.

Za kształt przestrzeni odpowiada grawitacja. Ona sprawia, że obiekty kosmiczne się przyciągają, a Wszechświat się rozszerza. Ta znana od stu lat prawda powoduje, że fizycy szukają najlepszego sposobu by dowiedzieć się, jak zachowywała się ta potężna siła przed miliardami lat, kiedy nasz Wszechświat się tworzył i jak może zachowywać się w przyszłości.

Na łamach czasopisma "Physical Review D" naukowcy z Wydziału Fizyki UW: dr Marcin Domagała, mgr Wojciech Kamiński i prof. Jerzy Lewandowski oraz gościnnie prof. Kristina Giesel z Louisiana State University przedstawili nowy model teoretyczny kwantowej grawitacji. W odróżnieniu od wcześniejszych, nowa teoria opisuje zachowanie grawitacji bez typowych uproszczeń, stosowanych dotychczas w modelach kosmologicznych, które zakładają, że pole grawitacyjne w każdym punkcie Wszechświata jest takie samo lub zmienia się w niewielkim stopniu.

"Można to sobie tak wyobrazić, że gdyby grawitacja działała wszędzie tak samo, to materia w przestrzeni byłaby rozłożona równomiernie, jakby rozsmarowana" - tłumaczył w rozmowie z PAP prof. Lewandowski.

Tymczasem we wszechświecie mamy skupiska materii - gwiazdy, planety i masywne czarne dziury - porozdzielane kosmiczną próżnią.

"W naszym modelu pole grawitacyjne może być różne w różnych punktach przestrzeni" - podkreślił fizyk.

Naukowcy, tworząc swoją teorię, wzorowali się na wcześniejszych, bardziej uproszczonych, modelach kosmologicznych, opisujących materię przy pomocy tzw. pola skalarnego, czyli takiego opisu matematycznego, w którym każdemu punktowi przestrzeni przyporządkowano pewną liczbę. "Można powiedzieć, że szybkość zmian pola skalarnego to obecny stan skoncentrowania materii we Wszechświecie" - mówił prof. Lewandowski.

Jednak poszli o krok dalej i ich model pozwala obliczyć, jak zachowuje się grawitacja, czyli jak kształtuje się przestrzeń w zależności od wartości pola skalarnego w sposób - jak zapewniają - dużo bardziej zbliżony do rzeczywistości niż było to do tej pory możliwe. Są, więc przekonani, że obliczenia pozwolą im niejako cofnąć się w czasie i udzielą odpowiedzi na pytanie, jak wyglądał Wszechświat kiedyś, kiedy materia była w nim bardziej skoncentrowana. "Zastosowane rozwiązania pozwalają nam śledzić ewolucję Wszechświata w sposób znacznie poprawniejszy fizycznie niż w dotychczasowych kwantowych modelach kosmologicznych" - podkreślił naukowiec.

Według prof. Lewandowskiego, konfrontacja wyników wcześniejszych obliczeń (dokonanych w oparciu o uproszczone modele) z nową teorią, pozwoli także zweryfikować teorię o "Wielkim Odbiciu" Abhaya Ashtekara, Tomasza Pawłowskiego (były doktorant prof. Lewandowskiego) i Parama Singha z Penn State University w USA.

Jak tłumaczył, wcześniejsze uproszczone modele kosmologiczne (których sam jest współautorem) wskazywały na to, że zanim Wszechświat zaczął się rozszerzać, miał jakąś graniczną gęstość, której nie mógł przekroczyć. W miarę cofania się z obliczeniami do początków Wszechświata, fizycy zauważali, że wartość pola skalanego maleje, a gęstość materii rośnie. W pewnym momencie jednak, gęstość materii nie mogła już wzrosnąć i zaczęła spadać, a wartość pola skalarnego malała nadal.

"Inaczej mówiąc na osi czasu wartość pola skalarnego zmienia się od minus nieskończoności do plus nieskończoności, podczas gdy obecny okres ekspansji przestrzeni jest poprzedzony okresem kurczenia" - wyjaśniał prof. Lewandowski.

To jeszcze nie dowód, ale już krok w dobrą stronę, bo nowa teoria pozwala uniknąć dotychczasowego ślepego zaułka, w którym przez dziesięciolecia tkwili fizycy opracowujący modele kosmologiczne oparte na ogólnej teorii względności Einsteina. "Jej równania sugerują, że Wszechświat jest tworem dynamicznym: ciągle się rozszerza. Gdy teoretycy chcą sprawdzić, jak Wszechświat wyglądał w przeszłości, dochodzą do momentu, gdy gęstość i temperatura w modelu stają się nieskończone - czyli tracą sens fizyczny" - tłumaczył naukowiec.

Jak podkreślił, nowa teoria również opiera się na ogólnej teorii względności, ale jednocześnie jest krokiem w kierunku pogodzenia jej z fizyką kwantową, co dotychczas stanowiło problem przy rozważaniach o zjawiskach zachodzących w bardzo wczesnym, gęstym i gorącym Wszechświecie.

Niestety ten sam fakt sprawia, że obliczenia są skomplikowane i długotrwałe. Naukowcy są, więc dopiero na początku drogi. "Opublikowaliśmy nasz model i dopiero teraz zacznie on być testowany pod kątem wykorzystania do konkretnych obliczeń. Model jest bardzo trudny zarówno ze względu na zastosowaną w nim teorię znaną w szczegółach jedynie wąskiej grupie badaczy, jak i ze względu na techniczne możliwości wykonania jakiegokolwiek obliczenia. Liczę na pomoc moich studentów. Nie ukrywam, że przydaliby się jeden lub dwaj tak zwani +postdocy+, czyli wyspecjalizowani pracownicy z doktoratami z danej dziedziny nauki, zatrudniani, niestety przeważnie w innych krajach, w ramach grantów badawczych" - powiedział prof. Lewandowski. (PAP).