Osiągniecia BP2 2013-16: Wszechświat mógł przeżyć Wielki Wybuch

Zespół fizyków z NCBJ i z Francji zaproponował metodę uwzględnienia efektów kwantowych w analizie ewolucji wczesnego Wszechświata. Wykonane obliczenia [3] wskazują na możliwość zastąpienia kosmologicznej hipotezy Wielkiego Wybuchu scenariuszem Wielkiego Odbicia. Naukowcy sądzą, że obserwacje reliktowych fal grawitacyjnych pozwolą zweryfikować badany przez nich model.

Wiele alternatywnych modeli kosmologicznych – tworzonych zarówno na gruncie fizyki klasycznej jak i kwantowej – zakłada, że historia Wszechświata nie rozpoczęła się w Wielkim Wybuchu. Według ich autorów Wszechświat istniał wcześniej, a w czasie, na który datowany jest Wielki Wybuch, Wszechświat przeszedł jedynie z wcześniejszej fazy kurczenia się do obecnie obserwowanej fazy rozszerzania. Taki scenariusz wyłonił się także w modelu badanym obecnie przez grupę naukowców z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ i ich francuskich współpracowników. Badacze założyli, że przestrzeń jest trójwymiarową sferą. Zgodnie z klasycznymi równaniami Einsteina taki Wszechświat powinien się „narodzić” w osobliwości o rozmiarach punktu i o nieskończonej gęstości energii materii. Z drugiej strony gdyby podobny Wszechświat istniał „wcześniej” w fazie zapadania się, to powstawałyby w nim i rozchodziły się falowo zaburzenia geometrii nazywane falami grawitacyjnymi. Energia zaburzeń byłaby tak duża, że Wszechświat „pod ich ciężarem” powinien zakończyć swoją ewolucję w osobliwości.

Uczonym z Warszawy i Paryża udało się pokazać, że dzięki efektom kwantowym klasyczne kurczenie i rozszerzanie się przestrzeni mogą być następującymi po sobie fazami ewolucji tego samego Wszechświata [3]. Dzięki formalnemu podobieństwu rozważanego modelu kosmologicznego do modelu cząsteczki złożonej z ruchliwych elektronów otaczających ciężkie jądra atomowe, mogli oni wykorzystać matematyczne metody wypracowane wcześniej dla fizyki układów atomów. Okazało się, że w fazie zapadania efekty kwantowe zmniejszają „ciężar” fal grawitacyjnych, przez co kurczenie się przestrzeni jest mniej gwałtowne. Dodatkowo, w miarę zmniejszania się objętości przestrzeni, podlega ona działaniu rozpychającej ją siły „kwantowej”, która ostatecznie przeważa nad naciskiem fal grawitacyjnych. Powoduje to nagłe zatrzymanie zapadania się przestrzeni i jej gwałtowne „odbicie”, czyli przejście do obecnie obserwowanej fazy kosmologicznej ekspansji. Autorzy są zdania, że unikatowe ślady dynamiki rozważanego przez nich Wielkiego Odbicia mogłyby być odnalezione także dzisiaj w badaniach reliktowych fal grawitacyjnych.

Ostatnio po raz pierwszy, w skali światowej, zastosowano kwantowanie czaso-przestrzeni przy użyciu tzw. afinicznych stanów koherentnych [3,4]. Otrzymane wyniki pokazują, że kwantowa grawitacja wydaje się być teorią bez osobliwości, a więc daje możliwość opisu zjawisk kwantowych specyficznych dla astrofizyki i kosmologii [1-4].

[1] J-P. Gazeau, J. Mielczarek and W. Piechocki, Phys. Rev. D 87, 123508 (2013).

[2] H. Bergeron, O. Hrycyna, P. Małkiewicz and W. Piechocki, Phys. Rev. D 90, 044041 (2014).

[3] H. Bergeron, E. Czuchry, J-P. Gazeau, P. Małkiewicz and W. Piechocki, Phys. Rev. D 92, 061302 (2015).

[4] H. Bergeron, E. Czuchry, J-P. Gazeau, P. Małkiewicz and W. Piechocki, Phys. Rev.D 92, 124018 (2015).