Polska teoria o powstaniu Wszechświata

Naukowcy przyjęli już pół wieku temu, że kosmos narodził się w wyniku Wielkiego Wybuchu, a potwierdziły to liczne symulacje i testy. Jednak czwórka polskich naukowców twierdzi, że Wszechświat mógł istnieć wcześniej. Czy to w ogóle możliwe?

Ci naukowcy to dr Marcin Domagała, mgr Wojciech Kamiński i prof. Jerzy Lewandowski z Wydziału Fizyki UW oraz prof. Kristina Giesel z Louisiana State University. Przedstawili nowy model teoretyczny kwantowej grawitacji na łamach prestiżowego pisma Physical Review D.

Przyjęli oni za założenie rozważaną niegdyś teorię o "pulsacji", czyli kurczeniu się i rozszerzaniu kosmosu, czemu jednak przeczy udowodniona przez Hubble'a ekspansja. Nowy model opiera się na grawitacji. Dlaczego? Odpowiada ona za kształt przestrzeni i sprawia, że obiekty kosmiczne przyciągają się - co chyba wie każdy.

Fizycy od dawna szukają najlepszego sposobu, by dowiedzieć się, jak zachowywała się ta potężna siła przed miliardami lat, kiedy nasz Wszechświat dopiero się tworzył.

W odróżnieniu od wcześniejszych teorii nowa opisuje zachowanie grawitacji bez uproszczeń stosowanych dotychczas w modelach kosmologicznych. Zakładały one, że pole grawitacyjne w każdym punkcie Wszechświata jest takie samo lub zmienia się w niewielkim stopniu. Tymczasem we Wszechświecie mamy przecież różne skupiska materii - gwiazdy, planety i masywne czarne dziury - porozdzielane kosmiczną próżnią. Jak tłumaczy prof. Lewandowski:

Można to sobie tak wyobrazić, że gdyby grawitacja działała wszędzie tak samo, to materia w przestrzeni byłaby rozłożona równomiernie, jakby rozsmarowana. W naszym modelu pole grawitacyjne może być różne w różnych punktach przestrzeni.

Do stworzenia swojej teorii naukowcy użyli "pola skalarnego", czyli takiego opisu matematycznego, w którym każdemu punktowi przestrzeni przyporządkowano pewną liczbę. Szybkość jego zmian to obecny stan skoncentrowania materii we Wszechświecie.

Ich model pozwala obliczyć, jak zachowuje się grawitacja, czyli jak kształtuje się przestrzeń w zależności od wartości pola skalarnego. Ma się to odbywać - jak zapewniają - w sposób dużo bardziej zbliżony do rzeczywistości, niż było to do tej pory możliwe. Tak więc - teoretycznie - obliczenia pozwalają niejako "cofnąć się w czasie" i "zobaczyć" Wszechświat w epoce, gdy materia była w nim bardziej skoncentrowana.

Według prof. Lewandowskiego wcześniejsze, uproszczone modele kosmologiczne (których zresztą sam jest współautorem) wskazywały na to, że nim 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.

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 i 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.

Teoria Polaków 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.