Wszechświat przed Wielkim Wybuchem?

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.

- 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 - mówi 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 skalarnego 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.