Judul artikel ini mungkin tidak terdengar seperti lelucon yang cerdik. Menurut konsep kosmologis yang diterima secara umum, teori Big Bang, Alam Semesta kita muncul dari keadaan ekstrim vakum fisik yang dihasilkan oleh fluktuasi kuantum. Dalam keadaan ini, baik waktu maupun ruang tidak ada (atau mereka terjerat dalam busa ruang-waktu), dan semua interaksi fisik fundamental digabungkan bersama. Kemudian mereka berpisah dan memperoleh keberadaan independen - gravitasi pertama, kemudian interaksi kuat, dan baru kemudian - lemah dan elektromagnetik.
Mari kembali ke berbasis sains
Teori Big Bang dipercaya oleh mayoritas mutlak ilmuwan yang mempelajari sejarah awal Alam Semesta kita. Ini benar-benar menjelaskan banyak hal dan tidak bertentangan dengan data eksperimen dengan cara apa pun. Namun baru-baru ini, ia memiliki pesaing dalam menghadapi teori siklus baru, yang fondasinya dikembangkan oleh dua fisikawan kelas ekstra - direktur Institute of Theoretical Science di Universitas Princeton Paul Steinhardt dan pemenang Medali Maxwell dan penghargaan TED internasional yang bergengsi Neil Turok, direktur Institut Kanada untuk Studi Lanjutan dalam Teoritis Fisika (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Dengan bantuan Profesor Steinhardt, Popular Mechanics mencoba berbicara tentang teori siklus dan alasan kemunculannya.
Momen sebelum peristiwa, ketika "gravitasi pertama, kemudian interaksi kuat, dan hanya kemudian - lemah dan elektromagnetik." Muncul, biasanya dilambangkan sebagai waktu nol, t = 0, tetapi ini adalah konvensi murni, penghargaan untuk formalisme matematika. Menurut teori standar, aliran waktu yang kontinu dimulai hanya setelah gaya gravitasi menjadi independen. Momen ini biasanya dikaitkan dengan nilai t = 10-43 s (lebih tepatnya, 5,4x10-44 s), yang disebut waktu Planck. Teori fisika modern sama sekali tidak dapat bekerja secara bermakna dengan periode waktu yang lebih pendek (diyakini bahwa ini membutuhkan teori gravitasi quantum, yang belum diciptakan). Dalam konteks kosmologi tradisional, tidak masuk akal untuk membicarakan apa yang terjadi sebelum momen awal dalam waktu,karena waktu dalam pemahaman kita tidak ada.
Konsep inflasi adalah bagian penting dari teori kosmologis standar (lihat bilah sisi). Setelah inflasi berakhir, gravitasi menjadi miliknya sendiri, dan Semesta terus mengembang, tetapi dengan laju yang menurun. Evolusi ini berlangsung selama 9 miliar tahun, setelah itu medan antigravitasi lain yang masih belum diketahui sifatnya, yang disebut energi gelap, mulai beraksi. Ini sekali lagi membawa Semesta ke mode ekspansi eksponensial, yang tampaknya harus tetap di masa mendatang. Perlu dicatat bahwa kesimpulan ini didasarkan pada penemuan astrofisika yang dibuat pada akhir abad lalu, hampir 20 tahun setelah munculnya kosmologi inflasi.
Interpretasi inflasi dari Big Bang pertama kali diusulkan sekitar 30 tahun yang lalu dan telah disempurnakan berkali-kali sejak saat itu. Teori ini memungkinkan untuk menyelesaikan beberapa masalah mendasar yang gagal diatasi oleh kosmologi sebelumnya. Sebagai contoh, dia menjelaskan mengapa kita hidup di alam semesta dengan geometri Euclidean datar - menurut persamaan klasik Friedmann, inilah yang seharusnya dilakukan dengan ekspansi eksponensial. Teori inflasi telah menjelaskan mengapa materi kosmik memiliki granularitas dalam skala tidak melebihi ratusan juta tahun cahaya, dan tersebar merata dalam jarak yang jauh. Dia juga memberikan interpretasi tentang kegagalan setiap upaya untuk mendeteksi monopole magnetik, partikel yang sangat masif dengan satu kutub magnet, yang diyakini sebagailahir dalam jumlah besar sebelum dimulainya inflasi (inflasi membentang ke luar angkasa sehingga kepadatan monopole yang awalnya tinggi berkurang menjadi hampir nol, dan oleh karena itu instrumen kami tidak dapat mendeteksinya).
Video promosi:
Segera setelah model inflasi muncul, beberapa ahli teori menyadari bahwa logika internalnya tidak bertentangan dengan gagasan kelahiran ganda permanen dari semakin banyak alam semesta baru. Memang, fluktuasi kuantum, seperti yang kita berutang pada dunia kita, dapat terjadi dalam jumlah berapa pun, asalkan kondisinya tepat. Mungkin saja alam semesta kita telah meninggalkan zona fluktuasi yang terbentuk di dunia pendahulu. Dengan cara yang sama, dapat diasumsikan bahwa suatu saat dan di suatu tempat di Alam Semesta kita sendiri, suatu fluktuasi terbentuk yang "meniup" alam semesta muda dari jenis yang sama sekali berbeda, juga mampu "berkembang biak" kosmologis. Ada pola di mana alam semesta anak muncul terus menerus, bercabang dari orang tuanya, dan menemukan tempatnya sendiri. Selain itu, sama sekali tidak perlu hukum fisik yang sama ditetapkan di dunia seperti itu. Semua dunia ini "bersarang" dalam satu kontinum ruang-waktu, tetapi mereka begitu terpisah sehingga mereka tidak merasakan kehadiran satu sama lain dengan cara apa pun. Secara umum, konsep inflasi memungkinkan - terlebih lagi, memaksa! - untuk percaya bahwa di dalam megakosmos raksasa terdapat banyak alam semesta yang terisolasi dengan pengaturan yang berbeda.
Fisikawan teoretis senang menemukan alternatif-alternatif bahkan dari teori yang paling diterima secara umum. Model inflasi Big Bang juga memiliki pesaing. Mereka tidak menerima dukungan luas, tetapi mereka menerima dan memiliki pengikut sendiri. Teori Steinhardt dan Turok di antara mereka bukanlah yang pertama dan tentunya bukan yang terakhir. Namun, hari ini telah dikembangkan secara lebih rinci daripada yang lain dan lebih menjelaskan sifat-sifat yang diamati dari dunia kita. Ini memiliki beberapa versi, beberapa di antaranya didasarkan pada teori string kuantum dan ruang multidimensi, sementara yang lain mengandalkan teori medan kuantum tradisional. Pendekatan pertama memberikan gambaran yang lebih jelas tentang proses kosmologis, jadi kita akan membahasnya.
Versi paling maju dari teori string dikenal sebagai teori-M. Dia mengklaim bahwa dunia fisik memiliki 11 dimensi - sepuluh spasial dan satu temporal. Ruang-ruang dengan dimensi lebih rendah, yang disebut bran, mengapung di dalamnya. Alam semesta kita hanyalah salah satu dari bran ini, dengan tiga dimensi spasial. Ia diisi dengan berbagai partikel kuantum (elektron, kuark, foton, dll.), Yang sebenarnya adalah string bergetar terbuka dengan hanya satu dimensi spasial - panjang. Ujung dari setiap string terpasang kuat di dalam bran tiga dimensi, dan string tidak bisa meninggalkan bran. Tetapi ada juga string tertutup yang dapat bermigrasi di luar bran - ini adalah gravitasi, kuanta medan gravitasi.
Bagaimana teori siklus menjelaskan masa lalu dan masa depan alam semesta? Mari kita mulai dengan era saat ini. Tempat pertama sekarang adalah energi gelap, yang menyebabkan alam semesta kita mengembang secara eksponensial, secara berkala berukuran dua kali lipat. Akibatnya, kerapatan materi dan radiasi terus berkurang, lengkungan gravitasi ruang melemah, dan geometrinya menjadi semakin datar. Selama triliun tahun ke depan, ukuran alam semesta akan berlipat ganda sekitar seratus kali lipat dan akan berubah menjadi dunia yang hampir kosong, sama sekali tanpa struktur material. Di sebelah kita adalah bran tiga dimensi lainnya, terpisah dari kita dengan jarak yang sangat kecil di dimensi keempat, dan juga mengalami pemuaian dan perataan eksponensial yang serupa. Selama ini jarak antar bran praktis tidak berubah.
Dan kemudian bran paralel ini mulai bertemu. Mereka didorong satu sama lain oleh medan gaya, yang energinya bergantung pada jarak antara bran. Sekarang kerapatan energi medan semacam itu adalah positif, sehingga ruang kedua bran mengembang secara eksponensial - karenanya, medan inilah yang memberikan efek yang dijelaskan dengan adanya energi gelap! Namun, parameter ini berangsur-angsur menurun dan dalam satu triliun tahun akan turun menjadi nol. Kedua bran akan terus mengembang, tetapi tidak secara eksponensial, tetapi dengan kecepatan yang sangat lambat. Akibatnya, di dunia kita, kepadatan partikel dan radiasi akan tetap hampir nol, dan geometri akan tetap datar.
Tetapi akhir dari cerita lama hanyalah awal dari siklus berikutnya. Bran bergerak menuju satu sama lain dan akhirnya bertabrakan. Pada tahap ini, kerapatan energi dari bidang antar cabang turun di bawah nol, dan ia mulai bertindak seperti gravitasi (izinkan saya mengingatkan Anda bahwa energi potensial gravitasi adalah negatif!). Ketika bran sangat dekat, medan antar bran mulai memperkuat fluktuasi kuantum di setiap titik di dunia kita dan mengubahnya menjadi deformasi makroskopis geometri spasial (misalnya, dalam sepersejuta detik sebelum tumbukan, ukuran deformasi yang dihitung mencapai beberapa meter). Setelah tumbukan, di zona inilah bagian terbesar dari energi kinetik yang dilepaskan selama tumbukan dilepaskan. Akibatnya, sebagian besar plasma panas dengan suhu sekitar 1023 derajat terjadi. Wilayah inilah yang menjadi simpul gravitasi lokal dan berubah menjadi embrio galaksi masa depan.
Tabrakan seperti itu menggantikan Big Bang kosmologi inflasi. Sangat penting bahwa semua materi yang baru terbentuk dengan energi positif muncul karena akumulasi energi negatif dari bidang antar cabang, oleh karena itu hukum kekekalan energi tidak dilanggar.
Dan bagaimana medan seperti itu berperilaku pada saat yang menentukan ini? Sebelum tumbukan, massa jenis energinya mencapai minimum (dan negatif), kemudian mulai meningkat, dan setelah tumbukan itu menjadi nol. Bran kemudian saling tolak dan mulai menyebar. Massa jenis energi yang bercabang mengalami evolusi terbalik - lagi-lagi menjadi negatif, nol, positif. Bran, yang diperkaya dengan materi dan radiasi, mula-mula mengembang dengan kecepatan yang menurun di bawah pengaruh pengereman gravitasinya sendiri, dan kemudian kembali ke ekspansi eksponensial. Siklus baru berakhir seperti yang sebelumnya - dan seterusnya ad infinitum. Siklus yang mendahului kita juga terjadi di masa lalu - dalam model ini, waktu bersifat kontinu, sehingga masa lampau ada melampaui 13,7 miliar tahun yang telah berlalu sejak pengayaan terakhir bran kita dengan materi dan radiasi!Entah mereka memiliki permulaan sama sekali, teorinya diam.
Teori siklik menjelaskan properti dunia kita dengan cara baru. Ia memiliki geometri datar, karena pada akhir setiap siklus ia meregang secara berlebihan dan hanya sedikit berubah bentuk sebelum memulai siklus baru. Fluktuasi kuantum, yang menjadi prekursor galaksi, muncul secara kacau, tetapi rata-rata merata - oleh karena itu, luar angkasa dipenuhi dengan gumpalan materi, tetapi pada jarak yang sangat jauh itu cukup homogen. Kami tidak dapat mendeteksi monopole magnetik hanya karena suhu maksimum plasma baru lahir tidak melebihi 1023 K, dan energi yang jauh lebih tinggi diperlukan untuk munculnya partikel semacam itu - pada urutan 1027 K.
Teori siklus ada dalam beberapa versi, seperti halnya teori inflasi. Namun, menurut Paul Steinhardt, perbedaan di antara mereka murni teknis dan hanya menarik bagi para spesialis, konsep umumnya tetap tidak berubah: “Pertama, dalam teori kami tidak ada momen permulaan dunia, tidak ada singularitas. Ada fase periodik penciptaan materi dan radiasi yang intens, yang masing-masing, jika diinginkan, dapat disebut Big Bang. Tetapi salah satu fase ini tidak menandai munculnya alam semesta baru, tetapi hanya transisi dari satu siklus ke siklus lainnya. Baik ruang dan waktu ada sebelum dan sesudah salah satu bencana alam ini. Oleh karena itu, sangatlah wajar untuk bertanya bagaimana keadaan 10 miliar tahun sebelum Big Bang terakhir, yang darinya sejarah alam semesta dihitung.
Perbedaan utama kedua adalah sifat dan peran energi gelap. Kosmologi inflasi tidak memprediksikan transisi dari perluasan alam semesta yang melambat ke yang dipercepat. Dan ketika astrofisikawan menemukan fenomena ini dengan mengamati ledakan supernova jauh, kosmologi standar bahkan tidak tahu apa yang harus dilakukan. Hipotesis energi gelap diajukan secara sederhana untuk menghubungkan hasil paradoks dari observasi ini dengan teori. Dan pendekatan kami jauh lebih baik disegel oleh logika internal, karena pada awalnya kami memiliki energi gelap dan energi inilah yang memastikan pergantian siklus kosmologis. " Namun, sebagaimana dicatat oleh Paul Steinhardt, teori siklik juga memiliki kelemahan: “Kami belum berhasil mendeskripsikan secara meyakinkan proses tumbukan dan rebound bran paralel yang terjadi pada awal setiap siklus. Aspek lain dari teori siklus jauh lebih berkembang, tetapi masih banyak ambiguitas yang harus diselesaikan."
Tetapi bahkan model teoretis yang paling indah pun memerlukan verifikasi eksperimental. Dapatkah Kosmologi Siklik Dikonfirmasi atau Disangkal dengan Pengamatan? “Baik teori inflasi dan siklus memprediksi keberadaan gelombang gravitasi relik,” jelas Paul Steinhardt. - Dalam kasus pertama, mereka muncul dari fluktuasi kuantum primer, yang dioleskan ke angkasa selama inflasi dan menghasilkan osilasi periodik dari geometrinya - dan ini, menurut relativitas umum, adalah gelombang gravitasi. Dalam skenario kami, fluktuasi kuantum juga merupakan akar penyebab gelombang tersebut - yang sama yang diperkuat oleh tumbukan bran. Perhitungan menunjukkan bahwa setiap mekanisme menghasilkan gelombang dengan spektrum tertentu dan polarisasi tertentu. Gelombang-gelombang ini diperlukan untuk meninggalkan jejak pada radiasi gelombang mikro kosmik, yang merupakan sumber informasi tak ternilai tentang ruang angkasa awal. Sejauh ini, jejak seperti itu belum ditemukan, tetapi kemungkinan besar, hal ini akan dilakukan dalam dekade mendatang. Selain itu, fisikawan sudah memikirkan tentang pendaftaran langsung gelombang gravitasi relik menggunakan pesawat ruang angkasa, yang akan muncul dalam dua hingga tiga dekade."
Perbedaan lainnya, menurut Profesor Steinhardt, adalah distribusi suhu dari radiasi gelombang mikro latar: “Radiasi yang datang dari berbagai bagian langit ini tidak cukup seragam dalam suhu, ia memiliki zona panas yang lebih banyak dan lebih sedikit. Pada tingkat akurasi pengukuran yang diberikan oleh peralatan modern, jumlah zona panas dan dingin kurang lebih sama, yang sejalan dengan kesimpulan dari kedua teori - baik inflasi maupun siklus. Namun, teori ini memprediksi perbedaan yang lebih halus antar zona. Pada prinsipnya, mereka akan dapat mengidentifikasi observatorium ruang angkasa Eropa 'Planck' yang diluncurkan tahun lalu dan pesawat ruang angkasa terbaru lainnya. Saya berharap hasil dari eksperimen ini akan membantu untuk membuat pilihan antara teori inflasi dan siklus. Tapi itu juga bisa terjadibahwa situasinya akan tetap tidak pasti dan tidak ada teori yang akan menerima dukungan eksperimental yang tegas. Nah, kalau begitu saya harus menemukan sesuatu yang baru."
Menurut model inflasi, alam semesta mengembang secara eksponensial dalam waktu yang sangat singkat tidak lama setelah kelahirannya, menggandakan dimensi liniernya berkali-kali lipat. Ilmuwan percaya bahwa awal dari proses ini bertepatan dengan pemisahan interaksi yang kuat dan terjadi pada tanda waktu 10-36 detik. Perluasan semacam itu (dengan tangan ringan fisikawan teoretis Amerika Sidney Coleman, disebut inflasi kosmologis) berumur sangat pendek (hingga 10-34 detik), tetapi meningkatkan dimensi linier Alam Semesta setidaknya 1030-1050 kali, dan mungkin lebih banyak lagi. Menurut skenario yang paling spesifik, inflasi diluncurkan oleh medan skalar kuantum anti-gravitasi, yang kepadatan energinya secara bertahap menurun dan akhirnya mencapai minimum. Sebelum ini terjadi, medan mulai berosilasi dengan cepat,menghasilkan partikel elementer. Akibatnya, pada akhir fase inflasi, Alam Semesta dipenuhi dengan plasma super panas yang terdiri dari quark bebas, gluon, lepton, dan kuanta energi tinggi radiasi elektromagnetik.
Alternatif radikal
Pada 1980-an, Profesor Steinhardt memberikan kontribusi yang signifikan bagi pengembangan teori Big Bang standar. Namun, hal ini tidak menghentikannya untuk mencari alternatif radikal dari teori tersebut, di mana begitu banyak pekerjaan telah diinvestasikan. Seperti yang dikatakan Paul Steinhardt sendiri kepada Popular Mechanics, hipotesis inflasi memang mengungkapkan banyak misteri kosmologis, tetapi ini tidak berarti bahwa tidak ada gunanya mencari penjelasan lain: “Awalnya, saya hanya tertarik untuk mencoba memahami sifat dasar dunia kita tanpa menggunakan inflasi. Belakangan, ketika saya mendalami masalah ini lebih dalam, saya menjadi yakin bahwa teori inflasi sama sekali tidak sesempurna klaim para pendukungnya. Ketika kosmologi inflasi baru saja diciptakan, kami berharap hal itu akan menjelaskan transisi dari keadaan awal materi yang kacau ke alam semesta yang tertata saat ini. Dia melakukannya - tapi dia melangkah lebih jauh.
Logika internal dari teori tersebut menuntut untuk mengakui bahwa inflasi secara konstan menciptakan dunia yang tak terbatas. Ini akan baik-baik saja jika perangkat fisik mereka menyalin milik kita, tetapi ini tidak berhasil. Misalnya, dengan bantuan hipotesis inflasi, dimungkinkan untuk menjelaskan mengapa kita hidup di dunia Euclidean yang datar, tetapi bagaimanapun juga, sebagian besar alam semesta lain pasti tidak memiliki geometri yang sama. Singkatnya, kami sedang membangun teori untuk menjelaskan dunia kami sendiri, dan teori itu lepas kendali dan melahirkan berbagai macam dunia eksotis yang tak ada habisnya. Keadaan ini tidak lagi cocok untukku. Selain itu, teori standar tidak dapat menjelaskan sifat dari keadaan sebelumnya, yang mendahului ekspansi eksponensial. Dalam pengertian ini, ini sama tidak lengkapnya dengan kosmologi pra-inflasi. Akhirnya,dia tidak dapat mengatakan apa-apa tentang sifat energi gelap, yang telah mendorong perluasan alam semesta kita selama 5 miliar tahun.
