מודל מחזורי של היקום: ניוון החומר מתרחש בלי סוף

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

בתחילת שנות ה-2000 הציעו שני פיזיקאים מאוניברסיטת פרינסטון מודל קוסמולוגי, לפיו המפץ הגדול אינו אירוע ייחודי, אלא זמן המרחב התקיים הרבה לפני שהיקום נולד.

במודל המחזורי, היקום עובר מחזור אינסופי המקיים את עצמו. בשנות ה-30, אלברט איינשטיין העלה את הרעיון שהיקום יכול לחוות מחזור אינסופי של מפץ גדול ודחיסות גדולות. התפשטות היקום שלנו עשויה להיות תוצאה של קריסת היקום הקדום. במסגרת מודל זה, אנו יכולים לומר שהיקום נולד מחדש ממותו של קודמו. אם כן, אז המפץ הגדול לא היה משהו ייחודי, הוא רק פיצוץ קטן אחד בין אינסוף אחרים. התיאוריה המחזורית לא בהכרח מחליפה את תיאוריית המפץ הגדול, אלא היא מנסה לענות על שאלות אחרות: למשל, מה קרה לפני המפץ הגדול ומדוע הוביל המפץ הגדול לתקופה של התפשטות מהירה?

אחד המודלים המחזוריים החדשים של היקום הוצע על ידי פול שטיינהרדט וניל טורוק ב-2001. שטיינהרדט תיאר מודל זה במאמרו, אשר נקרא המודל המחזורי של היקום. בתורת המיתרים, קרום, או "בריין", הוא עצם שקיים במספר ממדים. על פי שטיינהרדט וטורוק, שלושת הממדים המרחביים שאנו רואים תואמים לברינים הללו. שני בריינים תלת מימדיים יכולים להתקיים במקביל, מופרדים על ידי מימד נוסף, נסתר. הברנזים הללו - ניתן להתייחס אליהם כאל לוחות מתכת - יכולים לנוע לאורך הממד הנוסף הזה ולהתנגש זה בזה, וליצור את המפץ הגדול, ולכן יקומים (כמו שלנו). כשהם מתנגשים, מתרחשים אירועים לפי מודל המפץ הגדול הסטנדרטי: נוצרים חומר חם וקרינה, מתרחשת התנפחות מהירה, ואז הכל מתקרר - ונוצרים מבנים כמו גלקסיות, כוכבים וכוכבי לכת. עם זאת, שטיינהרדט וטורוק טוענים שתמיד ישנה אינטראקציה כלשהי בין הברינים הללו, שהם מכנים inter-brane: זה מושך אותם יחד, גורם להם להתנגש שוב ולייצר את המפץ הגדול הבא.

המודל של שטיינהרדט וטורוק בכל זאת מאתגר חלק מהנחות היסוד של מודל המפץ הגדול. למשל, לדבריהם, המפץ הגדול לא היה תחילתם של החלל והזמן, אלא מעבר משלב מוקדם יותר של האבולוציה. אם אנחנו מדברים על מודל המפץ הגדול, אז הוא אומר שהאירוע הזה סימן את ההתחלה המיידית של החלל והזמן ככזה. בנוסף, במחזור זה של ברינים מתנגשים, המבנה בקנה מידה גדול של היקום חייב להיקבע על ידי שלב הדחיסה: כלומר, זה קורה לפני שהם מתנגשים והמפץ הגדול הבא מתרחש. על פי תיאוריית המפץ הגדול, המבנה בקנה מידה גדול של היקום נקבע על ידי תקופה של התפשטות מהירה (אינפלציה), שהתרחשה זמן קצר לאחר הפיצוץ. יתרה מכך, מודל המפץ הגדול אינו חוזה כמה זמן יתקיים היקום, ובמודל שטיינהרדט משך כל מחזור הוא כשליליון שנה.

הדבר הטוב במודל המחזורי של היקום הוא שבניגוד למודל המפץ הגדול, הוא יכול להסביר את הקבוע הקוסמולוגי כביכול. גודל הקבוע הזה קשור ישירות להתפשטות המואצת של היקום: הוא מסביר מדוע החלל מתרחב כל כך מהר. לפי תצפיות, ערכו של הקבוע הקוסמולוגי קטן מאוד.עד לא מזמן, האמינו שערכו הוא 120 סדרי גודל פחות ממה שחזו על ידי תיאוריית המפץ הגדול הסטנדרטית. ההבדל הזה בין תצפית לתיאוריה הוא כבר מזמן אחת הבעיות הגדולות ביותר בקוסמולוגיה המודרנית. עם זאת, לא כל כך מזמן התקבלו נתונים חדשים על התפשטות היקום, לפיהם הוא מתרחב מהר יותר ממה שחשבו בעבר. נותר לחכות לתצפיות חדשות ואישור (או הפרכה) של הנתונים שכבר הושגו.

סטיבן ויינברג, חתן פרס נובל לשנת 1979, מנסה להסביר את ההבדל בין התבוננות וחיזוי מודל באמצעות מה שמכונה העיקרון האנתרופי. לדבריו, ערכו של הקבוע הקוסמולוגי הוא אקראי ושונה בחלקים שונים של היקום. אל לנו להיות מופתעים שאנו חיים באזור כה נדיר שבו אנו רואים ערך קטן של הקבוע הזה, שכן רק עם הערך הזה יכולים להתפתח כוכבים, כוכבי לכת וחיים. עם זאת, חלק מהפיזיקאים אינם מסתפקים בהסבר זה בשל היעדר ראיות לכך שערך זה שונה באזורים אחרים ביקום הנצפה.

מודל דומה פותח על ידי הפיזיקאי האמריקאי לארי אבוט בשנות ה-80. עם זאת, במודל שלו, הירידה בקבוע הקוסמולוגי לערכים נמוכים הייתה כה ארוכה עד שכל החומר ביקום במשך תקופה כזו יתפזר בחלל, ומותיר אותו, למעשה, ריק. לפי המודל המחזורי של היקום של שטיינהרדט וטורוק, הסיבה לכך שערכו של הקבוע הקוסמולוגי כל כך קטן היא שהוא היה בהתחלה גדול מאוד, אבל עם הזמן, עם כל מחזור חדש, הוא ירד. במילים אחרות, עם כל פיצוץ גדול, כמות החומר והקרינה ביקום "מאפסת", אבל לא הקבוע הקוסמולוגי. במהלך מחזורים רבים, ערכו ירד, והיום אנו רואים בדיוק את הערך הזה (5, 98 x 10-10 J / m3).

בראיון דיבר ניל טורוק על המודל שלו ושל שטיינהרדט של היקום המחזורי באופן הבא:

"הצענו מנגנון שבו תיאוריית מיתרי העל ותיאוריית M (התיאוריות המשולבות הטובות ביותר שלנו בנושא כבידה קוונטית) מאפשרות ליקום לעבור את המפץ הגדול. אבל כדי להבין אם ההנחה שלנו עקבית לחלוטין, יש צורך בעבודה תיאורטית נוספת".

מדענים מקווים שעם התפתחות הטכנולוגיה, תהיה הזדמנות לבחון את התיאוריה הזו יחד עם אחרים. לכן, לפי המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי (ΛCDM), תקופה המכונה אינפלציה באה אחרי המפץ הגדול, שמילא את היקום בגלי כבידה. בשנת 2015 תועד אות של גל כבידה, שצורתו עלתה בקנה אחד עם חיזוי תורת היחסות הכללית למיזוג שני חורים שחורים (GW150914). בשנת 2017, הפיזיקאים קיפ תורן, ריינר וייס ובארי באריש זכו בפרס נובל על תגלית זו. כמו כן, לאחר מכן, נרשמו גלי כבידה הנובעים מאירוע של מיזוג שני כוכבי נויטרונים (GW170817). עם זאת, גלי כבידה מאינפלציה קוסמית טרם נרשמו. יתרה מכך, שטיינהרדט וטורוק מציינים שאם המודל שלהם נכון, אז גלי כבידה כאלה יהיו קטנים מכדי "לגלותם".