Математици търсят отговори отвъд Големия взрив
Проучване демонстрира, че е допустимо да се огледа обратно към ера преди началото на Вселената.
Преди към 13,8 милиарда години цялата Вселена е била дребна, гореща и плътна топка сила, която ненадейно е избухнала. Така, съгласно общоприетата научна доктрина, известна като Големия гърмеж, е почнала нашата Вселена. Тази доктрина е дефинирана за първи път през 20-те години на ХХ век и е усъвършенствана през десетилетията, изключително през 80-те години на ХХ век, когато доста космолози стигат до заключението, че в ранните си моменти Вселената е претърпяла къс интервал на извънредно бързо разширение, наименуван инфлация.
Смята се, че този къс интервал е бил породен от необикновена форма на високоенергийна материя, която прекатурва гравитацията гравитацията „ с краката нагоре “, раздувайки тъканта на Вселената експоненциално бързо, като я принуждава нарасне милион милиарди пъти за по-малко от една милиардна част от секундата. Инфлацията изяснява за какво Вселената наподобява толкоз гладка и равномерна в огромни мащаби.
Ако обаче инфлацията е причина за всичко, което виждаме през днешния ден, поражда въпросът: какво, в случай че въобще е имало нещо, което е било преди нея? Засега няма опит, който би могъл да изследва какво се е случило преди инфлацията. Въпреки това математиците могат да очертаят вероятните сюжети, като приложат общата доктрина на относителността на Айнщайн – доктрина, която отъждествява гравитацията с кривината на пространство-времето – колкото е допустимо по-назад във времето.
Трима откриватели – Газал Гешнизджани от Института „ Периметър “, Ерик Линг от Университета в Копенхаген и Джером Куентин от Университета във Ватерло – работят по този въпрос. Наскоро те разгласиха публикация в Journal of High Energy Physics, в която, съгласно Линг, „ показахме математически, че може да има метод да се види нещо оттатък нашата Вселена “.
Робърт Бранденбергер, физик от университета Макгил, който не е взел участие в проучването, съобщи, че „ новата работа слага нов стандарт на придирчивост при разбора “ на математиката на началото на времето. В някои случаи това, което на пръв взор наподобява като сингулярност – точка в пространство-времето, в която математическите описания губят смисъл – в действителност може да е заблуда.
Основният въпрос, пред който са изправени Гешнизджани, Линг и Куентин, е дали има точка от времето преди инфлацията, в която законите на гравитацията се нарушават в сингулярност. Най-простият образец за математическа сингулярност е функционалността 1/x при x, клонящ към нула. Функцията приема цифрата x като входна стойност и извежда друго число. С намаляването на x цената на 1/x става все по-голяма и по-голяма, като се доближава до безконечност. При x, равно на нула, функционалността към този момент не е дефинирана: на нея не може да се разчита като изложение на действителността.
Понякога обаче математиците съумяват да заобиколят сингулярността. Да разгледаме да вземем за пример основния меридиан, минаващ през Гринуич, Англия, на нулева географска дължина. Ако съществуваше функционалност от 1/дължина, тя не би могла да се приложи в Гринуич. Но в предградията на Лондон в действителност няма нищо изключително от физическа позиция: елементарно можете да предефинирате нулевата дължина по този начин, че да минава през друго място на Земята, и тогава функционалността ще работи добре, когато се приближавате към Кралската обсерватория в Гринуич.
Нещо сходно се случва и на границата на математическите модели на черните дупки. Уравненията, описващи сферичните невъртящи се черни дупки, създадени от физика Карл Шварцшилд през 1916 година, съдържат член, чийто знаменател клони към нула при хоризонта на събитията на черната дупка – повърхността, оттатък която нищо не може да избяга. Това кара физиците да считат, че хоризонтът на събитията е физическа сингулярност. Но осем години по-късно астрономът Артър Едингтън сподели, че в случай че се употребява различен набор от координати, сингулярността изчезва. Подобно на основния меридиан, хоризонтът на събитията е заблуда: математически артефакт, наименуван координатна сингулярност, която поражда единствено заради избора на координати.
Центърът на черната дупка, в противен случай, има компактност и кривина, клонящи към безконечност, които не могат да бъдат отстранени посредством потребление на друга координатна система. В този случай законите на общата доктрина на относителността стартират да дават неуместни резултати. Това се назовава сингулярност на кривината. Тя допуска, че се случва нещо, което е отвън опциите на актуалните физични и математически теории.
Гешнизджани, Линг и Куентин изследват дали началото на Големия гърмеж наподобява повече на центъра на черна дупка или на хоризонта на събитията. Тяхното проучване се основава на теорема, потвърдена през 2003 година от Арвинд Борде, Алън Гът (един от първите, предложили концепцията за инфлацията) и Александър Виленкин. Тази теорема, известна като BGV по буквите на създателите, гласи, че инфлацията би трябвало да е имала начало – тя не би могла да продължи постоянно някъде в предишното. За да стартира, би трябвало да е съществувала сингулярност. Теоремата BGV открива съществуването на тази сингулярност, без да прецизира какъв вид сингулярност е тя.
Куентин и сътрудниците му работят, с цел да схванат дали тази сингулярност е „ тухлена стена “ – криволинейна сингулярност – или „ завеса “, която може да се дръпне обратно – координатна сингулярност. Ерик Уулгар, математик от Университета на Алберта, който не е взел участие в проучването, съобщи, че то обяснява разбирането ни за сингулярността на Големия гърмеж.
„ Те могат да ни кажат дали кривината е безкрайна в началната сингулярност или сингулярността е по-смекчена, което може да ни разреши да разтеглим нашия модел на Вселената до времена преди Големия гърмеж “.
За да категоризират вероятните сюжети за епохата преди Големия гърмеж, откривателите употребяват параметър, наименуван фактор на мащаба, който разказва по какъв начин се трансформира дистанцията сред обектите с течение на времето при разширението на Вселената. По формулировка Големият гърмеж е моментът, в който огромният фактор е бил еднакъв на нула – всичко е било компресирано в точка, която не може да се мери.
По време на инфлацията коефициентът на мащаба се усилва с експоненциална скорост. Преди инфлацията огромният фактор е можел да се трансформира по разнообразни способи. Новата научна работа дава таксономия на сингулярностите за разнообразни сюжети на огромен фактор.
„ Показваме, че при избрани условия огромният фактор ще сътвори сингулярност на кривината, а при други условия – не “,
казва Линг.
Изследователите към този момент са знаели, че във една Вселена с така наречен тъмна сила, само че без материя, началото на инфлацията, несъмнено от теоремата на BGV, е координатна сингулярност, която може да бъде отстранена. Но действителната Вселена сигурно съдържа материя. Могат ли математическите трикове да заобиколят и нейната сингулярност? Изследователите демонстрираха, че в случай че количеството на материята е малко спрямо количеството на тъмната сила, сингулярността може да бъде отстранена.
„ Светлинните лъчи в действителност могат да преминат през границата “, споделя Куентин. „ И в този смисъл можете да виждате оттатък границата; тя към този момент не е като тухлена стена. Историята на Вселената ще продължи и след Големия гърмеж “.
Космолозите обаче считат, че в ранната Вселена е имало повече материя, в сравнение с сила. В този случай новата научна работа демонстрира, че сингулярността съгласно BGV теоремата би била действителна физическа сингулярност на кривината, където законите на гравитацията престават да имат смисъл.
Сингулярността демонстрира, че общата доктрина на относителността не може да бъде цялостно изложение на главните закони на физиката. Усилията за основаване на такова изложение, което би изисквало координиране на общата доктрина на относителността с квантовата механика, не престават. Линг счита, че новата работа е следващата стъпка към такава единна доктрина.
„ За да се разбере Вселената на най-високите енергийни равнища, „ първо би трябвало да се разбере класическата физика допустимо най-добре “,
казва той.
По принцип Теорията за Големия гърмеж е най-широко признатата доктрина за произхода на Вселената. Според тази доктрина Вселената е почнала като извънредно гореща и плътна точка, постоянно наричана „ сингулярност “, преди към 13,8 милиарда години. Теорията за Големия отскок предлага опция на сингулярността на Големия гърмеж. Според нея актуалната Вселена е последната от поредност вселени, всяка от които се свива до дребен размер и по-късно още веднъж се уголемява. Това стесняване и разширение образува по този начин нареченият „ отскок “.
Изследванията в тази област не престават,
