Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Βατερλό (University of Waterloo) πρότειναν έναν νέο τρόπο εξήγησης για το πώς ξεκίνησε το σύμπαν, προσφέροντας μια πρωτοποριακή οπτική για τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) και τις πρώτες της στιγμές. Τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι η ταχύτατη αρχική διαστολή του σύμπαντος μπορεί να προέκυψε με φυσικό τρόπο μέσα από μια βαθύτερη και πιο ολοκληρωμένη θεωρία, γνωστή ως κβαντική βαρύτητα.
Η έρευνα διεξήχθη υπό την καθοδήγηση του Δρ. Niayesh Afshordi, καθηγητή φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Waterloo και στο Ινστιτούτο Perimeter (PI). Η ομάδα του εξερεύνησε έναν νέο τρόπο συνδυασμού της βαρύτητας με την κβαντική φυσική, η οποία περιγράφει τη συμπεριφορά των μικρότερων σωματιδίων.
Αν και η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν λειτουργεί εξαιρετικά καλά για πάνω από έναν αιώνα, αποτυγχάνει υπό τις ακραίες συνθήκες που επικρατούσαν στη γέννηση του σύμπαντος. Για να το ξεπεράσουν αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την Τετραγωνική Κβαντική Βαρύτητα (Quadratic Quantum Gravity), ένα πλαίσιο που παραμένει μαθηματικά σταθερό ακόμη και στις εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, παρόμοιες με εκείνες κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
Ένα απλούστερο, πιο ενοποιημένο κοσμικό μοντέλο
Οι περισσότερες τρέχουσες εξηγήσεις για τη Μεγάλη Έκρηξη βασίζονται στη γενική σχετικότητα, μαζί με πρόσθετα στοιχεία που εισάγονται για να γίνουν τα μοντέλα λειτουργικά. Αντίθετα, αυτή η νέα προσέγγιση παρέχει μια πιο ενοποιημένη εικόνα, συνδέοντας τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος απευθείας με τα καλά ελεγμένα μοντέλα που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για τη μελέτη του κόσμου σήμερα.
Η ομάδα ανακάλυψε ότι η ταχεία πρώιμη διαστολή του σύμπαντος μπορεί να προκύψει φυσικά από αυτή τη συνεπή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, χωρίς την ανάγκη πρόσθετων υποθέσεων. Αυτή η διαστολή, γνωστή ως κοσμολογικός πληθωρισμός, αποτελεί βασική έννοια στην κοσμολογία, καθώς βοηθά στην εξήγηση της δομής του σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα.
Ελέγξιμες προβλέψεις και βαρυτικά κύματα
Το μοντέλο προβλέπει επίσης ένα ελάχιστο επίπεδο αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων, τα οποία είναι μικροσκοπικές ρυτιδώσεις στον χωροχρόνο που δημιουργήθηκαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μελλοντικά πειράματα ενδέχεται να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν αυτά τα σήματα, δίνοντας στους επιστήμονες μια σπάνια ευκαιρία να ελέγξουν τις ιδέες τους για τις κβαντικές απαρχές του σύμπαντος.
«Αυτή η εργασία δείχνει ότι η εκρηκτική πρώιμη ανάπτυξη του σύμπαντος μπορεί να προέλθει απευθείας από μια βαθύτερη θεωρία της ίδιας της βαρύτητας», δήλωσε ο Afshordi. «Αντί να προσθέτουμε νέα κομμάτια στη θεωρία του Αϊνστάιν, διαπιστώσαμε ότι η ταχεία διαστολή προκύπτει φυσικά μόλις η βαρύτητα αντιμετωπιστεί με τρόπο που παραμένει συνεπής σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες».
Από τη θεωρία στις παρατηρήσιμες αποδείξεις
Οι ερευνητές εξεπλάγησαν από το πόσο ελέγξιμες αποδείχθηκαν οι ιδέες τους. «Παρόλο που αυτό το μοντέλο πραγματεύεται απίστευτα υψηλές ενέργειες, οδηγεί σε σαφείς προβλέψεις τις οποίες τα σημερινά πειράματα μπορούν πραγματικά να αναζητήσουν», δήλωσε ο Afshordi. «Αυτή η άμεση σύνδεση μεταξύ της κβαντικής βαρύτητας και των πραγματικών δεδομένων είναι σπάνια και συναρπαστική».
Μια νέα εποχή κοσμολογία ακρίβειας
Αυτή η εργασία έρχεται σε μια στιγμή που η κοσμολογία γίνεται όλο και πιο ακριβής. Νέα όργανα είναι πλέον ικανά να μετρούν το σύμπαν με πρωτοφανή ακρίβεια. Οι επικείμενες έρευνες γαλαξιών, οι μελέτες της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου και οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων φτάνουν την ευαισθησία που απαιτείται για την εξέταση ιδεών που κάποτε ήταν καθαρά θεωρητικές.
Ταυτόχρονα, οι επιστήμονες αναγνωρίζουν τα όρια των απλούστερων μοντέλων για τη διαστολή του πρώιμου σύμπαντος, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για προσεγγίσεις που βασίζονται στη θεμελιώδη φυσική.
Κοιτάζοντας μπροστά
Στη μελέτη συμμετείχαν επίσης η Ruolin Liu, διδακτορική φοιτήτρια στο Waterloo και στο PI, και ο Δρ. Jerome Quintin, λέκτορας στο l’École de technologie supérieure και πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Waterloo και στο PI.
Η ομάδα σχεδιάζει να τελειοποιήσει τις προβλέψεις της για μελλοντικά πειράματα και να διερευνήσει πώς αυτό το πλαίσιο συνδέεται με τη σωματιδιακή φυσική και άλλα αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με το πρώιμο σύμπαν. Ο μακροπρόθεσμος στόχος τους είναι να οικοδομήσουν έναν ισχυρότερο δεσμό μεταξύ της κβαντικής βαρύτητας και της παρατηρησιακής κοσμολογίας.
Η επιστημονική δημοσίευση, με τίτλο «Ultraviolet completion of the Big Bang in quadratic gravity», εμφανίζεται στο περιοδικό Physical Review Letters.