Polnudki Suurt Pauku? Kvantvõrrandi hinnangul pole universumil mingit algust

Uue mudeli alusel, mis ühildab kvantkorrektsiooni mõisted Einsteini üldrelatiivsusteooriaga, on universum tõenäoliselt igavesti eksisteerinud. Mudel võib aidata ka paremini selgitada tumeaine ja -energia olemust, lahendades nõnda korraga mitu probleemi.

Universumi üldtunnustatud vanus üldrelatiivsusteooria alusel on 13,8 miljardit aastat. Arvatakse, et alguses eksisteeris kogu olemasolev aine ühes ülitihedas punktis nimega singulaarsus. Universum sai ametlikult alguse alles siis, kui see punkt hakkas Suure Paugu käigus paisuma

Pildil on kujutatud kunstniku nägemust ruumi meetrilisest paisumisest, kus ruum (sealhulgas ka universumi hüpoteetilised mittejälgitavad osad) on igal ajajärgul kujutatud ringjate osadena. Pange tähele vasakut kätt asuvat dramaatilist paisumist (ei ole mõõtkavas), mis toimub inflatsioonilises epohhis. Pilt: NASA.

Kuigi Suure Paugu ja singulaarsuse seos tuleneb otseselt ja vältimatult üldrelatiivsusteooria matemaatikast, peavad mõned teadlased neid arvutusi problemaatiliseks, sest matemaatiliselt on võimalik selgitada vaid seda, mis juhtus vahetult pärast singulaarsust - mitte singulaarsuse ajal või enne selle tekkimist.

"Singulaarsuse selgitamine Suure Paugu abil on üldrelatiivsusteooria kõige tõsisem probleem, sest füüsikaseadused paistavad singulaarsuses lihtsalt kehtetuks muutuvat," ütles Egiptuses asuvas Benha ülikoolis ja Zewaili teadus- ja tehnoloogiainstituudis töötav Ahmed Farag Ali veebilehele Phys.org.

Ali ja uuringu kaasautori Saurya Dasi, Kanadas Albertas asuva Lethbridge'i ülikooli teaduri esitatud töö, mis avaldati teadusajakirjas Physics Letters B, kirjeldab, kuidas Suure Paugu ja singulaarsuse küsimust on võimalik lahendada nende uue mudeli abil, mille kohaselt pole universumil algust ega lõppu.

Vanade ideede taaskasutamine

Mõlemad füüsikud rõhutavad, et nende kvantkorrektsiooni mõisteid ei ole kasutatud üksnes selleks, et üritada sihilikult kõrvaldada singulaarsuse seotus Suure Paugu teooriaga. Nende töö põhineb füüsikateoreetiku David Bohmi ideedel ning Bohm on ühtlasi tuntud ka oma panuste poolest füüsikaalasesse filosoofiasse. Bohm uuris 1950ndatest aastatest alates võimalust asendada klassikaline geodeetiline triangulatsioon (kahe punkti vahelise lühima tee leidmine kaardus pinnal) kvanttrajektooridega.

Ali ja Das kasutasid oma teadustöös neid Bohmi trajektoore võrrandis, mille mõtles välja 1950ndatel aastatel Indias Kolkatas Presidency ülikoolis töötanud füüsik Amal Kumar Raychaudhuri. Raychaudhuri oli ka Dasi õppejõud, kui viimane seal 90ndatel aastatel õppis.

Raychaudhuri võrrandis kvantkorrektsiooni kasutamisega tuletasid Ali ja Das sarnase kvantkorrektsiooniga Friedmanni võrrandid, mis kirjeldavad universumi paisumist ja evolutsiooni (sealhulgas ka Suurt Pauku) üldrelatiivsusteooria kontekstis. Kuigi see pole päris ehtne kvantgravitatsiooni teooria, sisaldab see mudel elemente nii kvant- kui ka üldrelatiivsusteooriast. Lisaks usuvad Ali ja Das, et nende tulemused peavad paika ka siis, kui millalgi peaks koostatama täielik kvantgravitatsiooni teooria.

Ei mingit singulaarsust ega tumeainet

Lisaks sellele, et uus mudel ei prognoosi Suure Paugu singulaarsust, ei prognoosi see ka "suure kollapsi" singulaarsust. Nimelt on üldrelatiivsusteooria kohaselt universumi üheks võimalikuks saatuseks see, et universum hakkab kahanema, kuni suure kollapsi käigus kokku variseb ning taas ülitihedaks punktiks muutub.

Ali ja Das selgitavad oma teadustöös, et nende mudel väldib singulaarsuse kasutamist, sest klassikalise geodeetilise triangulatsiooni ja Bohmi trajektooride vahel on üks suur erinevus. Geodeetilised jooned lõpuks ristuvad omavahel ja nende koondumispunktidest saavadki singulaarsused. Teisest küljest ei ristu Bohmi trajektoorid üksteisega kunagi, seega ei teki võrrandites ka singulaarsusi.

Kosmoloogilisest küljest lähtudes selgitavad teadlased, et kvantkorrektsioonist võib mõelda kui kosmoloogilisest konstandist (ilma vajaduseta tumeenergia järele) ja kiirgusmõistest. Nende mõistete kohaselt on universumil kindlapiiriline suurus ja sellest tulenevalt ka piiritu vanus. Lisaks järelduvad neist mõistetest prognoosid, mis ühtivad praeguste tähelepanekutega universumi kosmoloogilise konstandi ja tiheduse kohta.

Uus gravitatsiooniosake

Füüsikalises mõistes kirjeldab kõnealune mudel universumit kui kvantvedelikuga täidetud ruumi. Mudeli koostanud teadlased pakuvad välja, et see vedelik võib koosneda gravitonidest - hüpoteetilistest massita osakestest, mis vahendavad gravitatsioonijõudu. Kui gravitonid on päriselt olemas, täidavad nad arvatavalt kvantgravitatsiooni teoorias tähtsat rolli.

Ühes teises sarnases teadustöös on selle mudeli paikapidavust veelgi toetanud Das ja tema koostööpartner Rajat Bhaduri Kanada McMasteri ülikoolist. Nad tõestavad uuringus, et gravitonid suudavad moodustada Bose-Einsteini kondensaadi (nimetatud Einsteini ja India füüsiku Satyendranath Bose järgi) samal temperatuuril, mis on valitsenud universumis kõigil ajajärkudel.

Mõlemad füüsikud on saanud suurt motivatsiooni tänu mudeli potentsiaalsele võimele lahendada Suure Paugu ja singulaarsuse küsimus ning aidata selgitada tumeaine ja -energia olemust, seega kavatsevad nad oma mudelit tulevikus analüüsida veelgi põhjalikumalt. Nende tulevaste plaanide hulka kuulub uurimistöö kordamine ja seekord väikeste mittehomogeensete ja anisotroopsete häirete arvesse võtmist, kuid nende hinnangul ei mõjuta sellised väikesed häired uuringu tulemusi märkimisväärselt.

"On heameel täheldada, et niivõrd lihtsad korrektsioonid võivad potentsiaalselt lahendada korraga nii palju probleeme," ütles Das.