Zelfs een periodieke oerknal kan op tijd beginnen

In 1965 kreeg hij de Nobelprijs voor natuurkunde Roger Penrose Geplaatst theorie wat aangeeft dat vergelijkingen uit de theorie algemene relativiteitstheorie VanEinstein impliceren dat het bestandinstorten De zwaartekracht van een voldoende zware ster moet noodzakelijkerwijs leiden tot een singulariteitruimte tijd omringd door gebeurtenishorizon en dus binnen een Zwart gat. Vóór hem werd aangenomen dat deze gebeurtenis het product was van perfecte oplossingen voor de vergelijkingen van Einstein. In 1969 gepubliceerd met Stephen Hawking Een verbeterde versie van de door laatstgenoemde geproduceerde theorie die wiskundige methoden en Penrose’ ideeën toepaste op relativistische kosmologie om aan te tonen dat hetzelfde fenomeen zich voordeed met de oerknal.. Men kan al bedenken dat veel oplossingen van Einsteins vergelijkingen a . beschrijven Universum In expansie was het enigszins equivalent, door de richting van de stroom van tijd om te keren, aan die welke een ster in gravitationele ineenstorting beschrijft.

Dus, onder zeer algemene omstandigheden, gaven de vergelijkingen van Einstein aan dat ruimte en tijd een begin hebben, en een begin waarin de dichtheid en temperatuur van de inhoud, evenals de kromming van de ruimtetijd, naar oneindig neigen naarmate men het ogenblikkelijke nulpunt nadert. .

Maar inderdaad, in de geest van Hawking en zijn collega’s in die tijd, moet het slechts een product zijn geweest van een niet-kwantummanipulatie van ruimte-tijd en misschien ook gewoon van Einsteins vergelijkingen. Het is al mogelijk om de verschillende vergelijkingen te bekijken die de gekromde ruimtetijd beheersen en wanneer de grootte van Universum Het was merkbaar veel kleiner aan het begin van de uitbreiding, en de inhoud had zich als een moeten gedragen maïs Quantum. Nu weten we heel goed dat de wetten van Kwantummechanica Het garandeert precies een beperkte atoomgrootte door elke afbraak van zijn lagen te onderdrukkenelektronen in haar wezen. Sterker nog, tegen het einde van de jaren zestig Bryce DeWitt legde de basis voor de kwantumtheorie van zwaartekracht toegepast in de kosmologie.

Werken kosmologie Aantal te volgen, bijv. die van Stephen Hawking en onlangs van Carlo Rovellizal terugkomen op de kwesties die Alexander Friedman in de jaren twintig en dertig van de vorige eeuw aan de orde stelde, George Lemaitre En vooral Richard Tolman.

In de handen van deze jongens werd het duidelijk dat de vergelijkingen van Einstein patronen van universums bevatten waarin de uitdijing van de ruimte uiteindelijk vertraagde voordat deze omkeerde, waardoor de inhoud terugkeerde naar een oneindige dichtheid. Een nieuwe fase van expansie kan dan beginnen, en dus kan men bedenken dat de natuur er misschien voor heeft “gekozen” om zich te manifesteren in de vorm van een periodieke kosmologie zonder begin of einde, altijd heen en weer schommelend tussen de grote explosie en een grote crisis – Het gebruik van termen die pas na de Tweede Wereldoorlog zullen verschijnen en nu bekend zijn bij het grote publiek.

Thermodynamica van de oerknal

Maar begin jaren dertig van de vorige eeuw verscheen de Amerikaan Richard Tolman, waarin hij zijn carrière begon chemie Natuurkunde voordat het een wereldwijde autoriteit werd in statistische mechanicaklassiek of kwantum, en in Relativiteit, stelde de reflecties vast die zouden hebben aangetoond dat er een potentieel probleem is in de thermodynamica voor relativistische periodieke kosmologie. Het was een probleem dat erger werd nadat ik erachter kwam kosmische straling in 1965.

Tolman slaagde er inderdaad in om de wetten van de thermodynamica over te dragen en vooral die welke nauw verwant zijn binnen het gekromde ruimte-tijdraamwerk van de relativistische kosmologie.entropie, een van de basistoestandsfuncties van de thermodynamica. Toen werd uiteindelijk geconcludeerd dat in elke nieuwe fase van de cyclische kosmologie de entropie van zijn inhoud in was kwestie De straling moet groeien (deze kan worden geschat door de verhouding van het aantal fotonen tot het aantal te meten) baryonen in het zichtbare heelal en met de inhoud van het zwarte gat). Het was moeilijk om dit te verzoenen met de observatie dat de entropie die vandaag wordt gemeten niet alleen eindig is, maar ook ver van het maximum, als men gelooft dat er een oneindig aantal cycli is in het verleden en de toekomst, zoals de Nobelprijs uitlegde Stephen Weinberg Aan het einde van zijn beroemde boek De eerste drie minuten van het universum.

De vraag wat er gebeurt met de entropie van de cyclische universa en wat Tolman ervan vindt, is complexer dan wat hij zojuist heeft uitgelegd, maar we blijven nadenken over de moeilijkheden die het oproept. Een paar jaar geleden zei de beroemde kosmoloog en fysiek Theoreticus Paul Steinhardt heroverwogen deze vragen met zijn collega Anna Egas.

De onderzoekers publiceerden artikelen over arXiv met een scalair domein, Zoals het Higgs-deeltje, en de vergelijkingen die de interactie tussen dit veld en de uitdijing van het zichtbare heelal bepalen. Dit scalaire veld wordt soms essencekan worden gebruikt om de aard van te beschrijven donkere energie Het zorgt ervoor dat de versnelling van de uitdijing van het heelal verandert in een vertraging met de samentrekking.

Dit is op zich niet nieuw, maar in de tot nu toe bestudeerde vergelijkbare scenario’s gevolgd door een regressiefase, a grote sprong Zoals we in het Engels zeggen, leidde de samentrekkingsfase tot de intensiteit plank En kort voor het bereiken ervan, toen een fusie Zwarte gaten gevormd tijdens de fase. Deze fusie zou het stuiteren onmogelijk kunnen maken, en vooral, het passeren van een kwantumstadium zou ervoor moeten zorgen dat het volgende stadium begint met een zeer hoge staat van entropie in het waarneembare heelal, wat niet is waargenomen.

Periodieke kosmologie zonder quantum bounce

Anna Egas en Paul J. Steinhardt Vervolgens toonden ze aan dat met hun standaard veldmodel de samentrekking stopt voordat het de Planck-dichtheid bereikt en het universum terugvalt. Maar het stuitert terug met een grotere expansiefactor dan in de vorige fase, terwijl deze factor periodiek oscilleert en zijn waarden hervat in eerdere modellen van cyclische kosmologie.

Door dit te doen, wordt de extra entropie gegenereerd door de vorige fase op de een of andere manier verzacht en uit de zogenaamde geduwdkosmische horizon. Voor de waarnemer onder deze horizon is er niet langer een continue toename in elke fase van de uitdijing van het waargenomen heelal en is er niet langer een discrepantie tussen de gemeten entropie en het oneindige oude heelal met een oneindig aantal cycli in het verleden.

Maar twee andere kosmologen van de Universiteit van Buffalo in de Verenigde Staten, William Kenny en Nina K. Stein, ze hebben net een steen in de vijver gegooid. Volgens hen, zoals ze uitleggen in een open access-post op arXivmoet zelfs het periodieke universum van Ijjas en Steinhardt een begin hebben gehad in de tijd met een aanvankelijke singulariteit.

De twee onderzoekers kwamen met de logica die hij enkele jaren geleden al naar voren bracht Arvind Burd, Alan Guth en Alexander Vilenkingeïnspireerd door de theorieën van Penrose en Hawking, die aantoonden dat zelfs de beroemde inflatietheorie, die het ook mogelijk moest maken de aanvankelijke singulariteit te vermijden en vragen te vermijden over het concept van het begin van het heelal, in doe het eigenlijk zonder deze twee ideeën.

Technisch gezien is het een presentatie van een theorie die verband houdt met de zogenaamde geodesie-volledigheid van ruimte-tijd. Deze geodesie zijn de paden die lichtstralen en materiedeeltjes moeten afleggen onder de enige invloed van de kromming van de ruimte-tijd. William Kinney en Nina K. Stein, evenals Arvind Purdy, Alan H. Guth, Alexander Vilenkin tot de conclusie dat de geodesie in de kosmologie van Egas en Steinhardt niet kan worden bepaald door een variabele die oneindig kan reiken, wat in de taal van de differentiële meetkunde werd aangetoond dat deze geodesie in het verleden niet voltooid was.

Daarom legt Kenny in een persbericht van de Universiteit van Buffalo het volgende uit: Mensen creëerden in het verleden terugkaatsende universums om het universum oneindig te maken, maar wat we laten zien is dat een van de nieuwere typen van die modellen niet werkt. In dit nieuwe type model, dat zich bezighoudt met entropiekwesties, moet het universum, hoewel het cycli heeft, een begin hebben gehad. »

Met het volgende gespecificeerd: Helaas is het al bijna 100 jaar bekend dat deze periodieke patronen niet werken omdat chaos, of entropie, zich in de loop van de tijd in het universum opbouwt, dus elke cyclus is anders dan de vorige. Het is niet echt periodiek. Een modern cyclisch model omzeilt het probleem van entropieopbouw door te suggereren dat het heelal met elke cyclus uitdijt, wat de entropie verzwakt. Het rekt alles uit om zich te ontdoen van kosmische structuren zoals zwarte gaten, die het universum terugbrengen naar zijn oorspronkelijke homogene staat voordat een nieuwe bounce begint.

Maar om een ​​lang verhaal kort te maken, we hebben laten zien dat je door het entropieprobleem op te lossen een situatie creëert waarin het universum een ​​begin moet hebben. Ons bewijs toont over het algemeen aan dat elk cyclisch patroon dat entropie verwijdert door uitrekken, een begin moet hebben. »

Kenny geeft echter toe: Ons bewijs geldt niet voor A Het door Roger Penrose voorgestelde periodieke model, waarin het heelal bij elke cyclus oneindig uitdijt. We werken aan dit probleem. »