Problem małego wszechświata

Wszechświat jest duży, mówi Douglas Adams.

Najdalsze światło, jakie możemy zobaczyć, to mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), którego dotarcie do nas zajęło ponad 13 miliardów lat. Oznacza to granicę obserwowalnego Wszechświata i choć mogłoby się wydawać, że oznacza to, że wszechświat ma średnicę 26 miliardów lat świetlnych, dzięki kosmicznej ekspansji ma on teraz średnicę bliższą 46 miliardów lat świetlnych. Pod każdym względem jest to bardzo duża sprawa. Jednak większość kosmologów uważa, że ​​Wszechświat jest znacznie większy niż kąt, pod jakim można go obserwować. To, co widzimy, to niewielka część niewyobrażalnie ogromnej przestrzeni, Jeśli stworzenie nie ma końca. Jednak nowe badanie sugeruje, że obserwowalny Wszechświat to w większości wszystko, co istnieje.

Innymi słowy, na poziomie kosmicznym wszechświat jest bardzo mały.

Istnieje kilka powodów, dla których kosmolodzy uważają, że wszechświat jest duży. Pierwszym z nich jest rozmieszczenie gromad galaktyk. Gdyby Wszechświat nie rozciągał się poza to, co widzimy, bardziej odległe galaktyki odczuwałyby przyciąganie grawitacyjne w kierunku naszego obszaru Wszechświata, ale nie od nas, co prowadziłoby do gromad asymetrycznych. Ponieważ galaktyki są skupione mniej więcej w tej samej skali w całym obserwowalnym wszechświecie. Innymi słowy, obserwowalny wszechświat jest jednorodny i izotropowy.

Druga kwestia jest taka Czasoprzestrzeń jest płaska. Gdyby czasoprzestrzeń nie była płaska, nasz widok odległych galaktyk byłby zniekształcony, przez co wydawałyby się znacznie większe lub mniejsze niż w rzeczywistości. Odległe galaktyki wydają się nieco większe w wyniku kosmicznej ekspansji, ale nie w sposób sugerujący ogólną krzywiznę czasoprzestrzeni. Opierając się na ograniczeniach naszych obserwacji, płaskość Wszechświata oznacza, że ​​jest on co najmniej 400 razy większy od obserwowalnego Wszechświata.

Do tego dochodzi fakt, że kosmiczne mikrofalowe tło jest niemal idealnym ciałem czarnym. Występują niewielkie wahania temperatury, ale jest ona bardziej jednolita niż powinna. Aby to wyjaśnić, astronomowie zaproponowali okres masowej ekspansji tuż po Wielkim Wybuchu, znany jako wczesna inflacja kosmiczna. Nie zaobserwowaliśmy na to żadnych bezpośrednich dowodów, ale model ten rozwiązuje wiele problemów kosmologicznych, dzięki czemu jest powszechnie akceptowany. Jeśli model jest dokładny, wszechświat zajmuje 10. miejsce²⁶ Razy większe niż obserwowalny Wszechświat.

Zatem w świetle wszystkich tych dowodów teoretycznych i obserwacyjnych, jak ktoś może argumentować, że wszechświat jest mały? Chodzi o teorię strun i bagna.

Chociaż teorię strun często przedstawia się jako teorię fizyczną, w rzeczywistości jest to zbiór metod matematycznych. Można go używać do opracowywania złożonych modeli fizycznych, ale może to być również po prostu matematyka sama w sobie. Jednym z problemów związanych z powiązaniem matematyki teorii strun z modelami fizycznymi jest to, że efekty będą widoczne tylko w najbardziej ekstremalnych sytuacjach, a nie mamy wystarczających danych obserwacyjnych, aby wykluczyć różne modele. Jednak niektóre modele teorii strun wydają się bardziej obiecujące niż inne. Na przykład niektóre modele są kompatybilne z grawitacją kwantową, inne nie. Teoretycy często identyfikują „bagno” mało obiecujących teorii.

Kiedy oddzielisz obiecujące krainy teoretyczne od bagna, pozostaną ci teorie, w których wczesna inflacja kosmiczna nie wchodzi w grę. Większość modeli inflacyjnej teorii strun istnieje na bagnach. Prowadzi to do pytania, czy można zbudować model kosmologiczny zgodny z obserwacjami bez wczesnej inflacji. Co prowadzi nas do nowego badania.

Jednym ze sposobów obejścia wczesnej kosmicznej inflacji jest przyjrzenie się strukturom wyższych wymiarów. Klasyczna ogólna teoria względności opiera się na czterech wymiarach fizycznych, trzech przestrzeni i jednym czasie, czyli 3+1. Matematycznie można sobie wyobrazić wszechświat 3+2 lub 4+1, w którym globalną strukturę można połączyć w wydajną strukturę 3+1. Jest to podejście powszechne w teorii strun, ponieważ nie ogranicza się do standardowej struktury ogólnej teorii względności. Autorzy pokazują, że w odpowiednich warunkach można w ramach teorii strun stworzyć strukturę wielowymiarową, zgodną z obserwacjami i unikającą grzęzawisk. Bazując na ich modelach gier, wszechświat może być tylko sto lub tysiąc razy większy niż wszechświat obserwowalny. Jest ona nadal duża, ale dość mała w porównaniu do wczesnych modeli inflacji.

To wszystko tylko spekulacje, ale w pewnym sensie tak właśnie jest w przypadku wczesnej kosmicznej inflacji. Jeśli wczesna inflacja kosmiczna jest prawdziwa, w stosunkowo niedalekiej przyszłości powinniśmy móc zaobserwować jej skutki za pomocą fal grawitacyjnych. Jeśli to się nie powiedzie, być może warto przyjrzeć się bliżej modelom teorii strun, które chronią nas przed teoretycznym bagnem.

odniesienie: Linners, Jean-Luc i Quentin, Jerome. „Mały wszechświat„. Przedruk arXiv arXiv:2309.03272 (2023)