Na początku istniała nieskończenie gęsta, maleńka kulka materii. Potem wszystko wybuchło, dając początek atomom, cząsteczkom, gwiazdom i galaktykom, które widzimy dzisiaj.

Albo przynajmniej tak nam mówili fizycy przez ostatnie kilkadziesiąt lat.

Ale nowe badania fizyki teoretycznej ujawniły ostatnio możliwe okno do bardzo wczesnego wszechświata, pokazując, że może on nie być „bardzo wczesny” po wszystkim. Zamiast tego może to być tylko najnowsza iteracja cyklu bang-bounce, który trwa od … cóż, przynajmniej raz, a być może na zawsze.

Oczywiście, zanim fizycy zdecydują się odrzucić Wielki Wybuch na rzecz cyklu bang-bounce, te teoretyczne przewidywania będą musiały przetrwać zalew testów obserwacyjnych.

Odbijające się kosmologie

Naukowcy mają naprawdę dobry obraz bardzo wczesnego wszechświata, coś, co znamy i kochamy jako teorię Wielkiego Wybuchu. W tym modelu, dawno temu wszechświat był o wiele mniejszy, o wiele gorętszy i o wiele gęstszy niż jest dzisiaj. W tym wczesnym piekle, 13,8 miliarda lat temu, wszystkie elementy, które czynią nas tym, czym jesteśmy, powstały w ciągu kilkunastu minut.

Nawet wcześniej, zgodnie z tym rozumowaniem, w pewnym momencie cały nasz wszechświat – wszystkie gwiazdy, wszystkie galaktyki, wszystko – był wielkości brzoskwini i miał temperaturę ponad kwadryliona stopni.

Co zadziwiające, ta fantastyczna historia pasuje do wszystkich obecnych obserwacji. Astronomowie zrobili wszystko, od obserwacji resztek promieniowania elektromagnetycznego z młodego wszechświata po pomiary obfitości najlżejszych pierwiastków i stwierdzili, że wszystkie one zgadzają się z tym, co przewiduje Wielki Wybuch. Tak dalece, jak możemy powiedzieć, jest to dokładny portret naszego wczesnego wszechświata.

Ale tak dobry, jak jest, wiemy, że obraz Wielkiego Wybuchu nie jest kompletny – brakuje kawałka układanki, a tym kawałkiem są najwcześniejsze momenty samego wszechświata.

To całkiem spory kawałek.

Powiązane: Od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości: Snapshots of our universe through time

The conflagration

Problem polega na tym, że fizyka, której używamy do zrozumienia wczesnego wszechświata (cudownie skomplikowany misz-masz ogólnej względności i fizyki cząstek wysokoenergetycznych) może nas zaprowadzić tylko tak daleko, zanim się załamie. Jak próbujemy wcisnąć się głębiej i głębiej w pierwsze chwile naszego kosmosu, matematyka staje się coraz trudniejsza do rozwiązania, aż do punktu, w którym po prostu… przestaje działać.

Głównym znakiem, że mamy teren jeszcze do zbadania jest obecność „osobliwości”, lub punktu o nieskończonej gęstości, na początku Wielkiego Wybuchu. Biorąc to pod uwagę, mówi nam to, że w pewnym momencie wszechświat został wtłoczony w nieskończenie mały, nieskończenie gęsty punkt. Jest to oczywiście absurdalne, a to, co naprawdę mówi nam, że potrzebujemy nowej fizyki, aby rozwiązać ten problem – nasz obecny zestaw narzędzi po prostu nie jest wystarczająco dobry.

Powiązane: 8 sposobów, na jakie możesz zobaczyć teorię względności Einsteina w prawdziwym życiu

Aby uratować dzień, potrzebujemy jakiejś nowej fizyki, czegoś, co jest w stanie poradzić sobie z grawitacją i innymi siłami, połączonymi, przy ultrawysokich energiach. I właśnie tym jest teoria strun: modelem fizyki, który jest w stanie poradzić sobie z grawitacją i innymi siłami przy ultrawysokich energiach. Oznacza to, że teoria strun twierdzi, że może wyjaśnić najwcześniejsze momenty wszechświata.

Jednym z najwcześniejszych pojęć teorii strun jest wszechświat „ekpyrotyczny”, który pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „pożogę” lub ogień. W tym scenariuszu to, co znamy jako Wielki Wybuch, zostało zapoczątkowane przez coś innego, co wydarzyło się przed nim – Wielki Wybuch nie był początkiem, lecz częścią większego procesu.

Rozszerzenie koncepcji ekpyrotycznej doprowadziło do powstania teorii, ponownie motywowanej przez teorię strun, zwanej kosmologią cykliczną. Przypuszczam, że technicznie rzecz biorąc, idea wszechświata nieustannie powtarzającego się ma tysiące lat i wyprzedza fizykę, ale teoria strun dała tej idei solidne matematyczne podstawy. Cykliczny wszechświat przebiega dokładnie tak, jak można to sobie wyobrazić, nieustannie odbijając się między wielkimi wybuchami i wielkimi zapadnięciami, potencjalnie na wieczność w czasie i na wieczność w przyszłości.

Przed początkiem

Jakkolwiek fajnie to brzmi, wczesne wersje modelu cyklicznego miały trudności z dopasowaniem obserwacji – co jest poważnym problemem, gdy próbujesz zajmować się nauką, a nie tylko opowiadać historie przy ognisku.

Główną przeszkodą była zgoda z naszymi obserwacjami kosmicznego mikrofalowego tła, skamieniałego światła pozostałego z czasów, gdy wszechświat miał tylko 380 000 lat. Podczas gdy nie możemy widzieć bezpośrednio poza tą ścianą światła, jeśli zaczniesz teoretycznie majstrować przy fizyce niemowlęcego kosmosu, wpłyniesz na ten wzór światła afterglow.

I tak, wydawało się, że cykliczny wszechświat był zgrabnym, ale błędnym pomysłem.

Ale ekpyrotyczna pochodnia była zapalana przez lata, a papier opublikowany w styczniu w bazie danych arXiv zbadał zmarszczki w matematyce i odkrył kilka wcześniej przegapionych możliwości. Fizycy, Robert Brandenberger i Ziwei Wang z McGill University w Kanadzie, odkryli, że w momencie „odbicia”, kiedy nasz wszechświat kurczy się do niewiarygodnie małego punktu i powraca do stanu Wielkiego Wybuchu, możliwe jest ustawienie wszystkiego tak, aby uzyskać właściwy, sprawdzony obserwacyjnie wynik.

Innymi słowy, skomplikowana (i, co prawda, słabo rozumiana) fizyka tej krytycznej epoki może rzeczywiście pozwolić na radykalnie zmienione spojrzenie na nasz czas i miejsce w kosmosie.

Ale aby w pełni przetestować ten model, będziemy musieli poczekać na nową generację eksperymentów kosmologicznych, więc poczekajmy z wybiciem ekpyrotycznego szampana.

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook i Flatiron Institute, gospodarzem programów Ask a Spaceman i Space Radio oraz autorem książki Your Place in the Universe.

• Największe nierozwiązane tajemnice w fizyce
• 12 najdziwniejszych obiektów we wszechświecie
• Od wielkiego wybuchu do cywilizacji: 10 niesamowitych wydarzeń związanych z pochodzeniem

Originally published on Live Science.