Problemă cu universul mic

Universul este mare, spune Douglas Adams.

Cea mai îndepărtată lumină pe care o putem vedea este fundalul cosmic cu microunde (CMB), căruia i-a trebuit mai mult de 13 miliarde de ani să ajungă la noi. Aceasta marchează marginea universului observabil și, deși ați putea crede că acest lucru înseamnă că universul are 26 de miliarde de ani lumină, datorită expansiunii cosmice, este acum mai aproape de 46 de miliarde de ani lumină. Din toate punctele de vedere, aceasta este o afacere foarte mare. Dar majoritatea cosmologilor cred că universul este mult mai mare decât unghiul din care poate fi observat. Ceea ce putem vedea este o mică parte dintr-un spațiu inimaginabil de vast, Dacă creația nu are un sfârșit. Cu toate acestea, un nou studiu sugerează că universul observabil este în mare parte tot ceea ce există.

Cu alte cuvinte, la nivel cosmic, universul este foarte mic.

Există mai multe motive pentru care cosmologii cred că universul este mare. Prima este distribuția clusterelor de galaxii. Dacă universul nu s-ar extinde dincolo de ceea ce vedem, galaxiile mai îndepărtate ar simți o atracție gravitațională către regiunea noastră a universului, dar nu departe de noi, ceea ce duce la grupuri asimetrice. Deoarece galaxiile sunt grupate la aproximativ aceeași scară în tot universul observabil. Cu alte cuvinte, universul observabil este omogen și izotrop.

Al doilea punct este că Spațiul-timp este plat. Dacă spațiu-timpul nu ar fi plat, viziunea noastră asupra galaxiilor îndepărtate ar fi distorsionată, făcându-le să pară mult mai mari sau mai mici decât sunt în realitate. Galaxiile îndepărtate par puțin mai mari datorită expansiunii cosmice, dar nu într-un mod care să sugereze o curbură generală a spațiu-timpului. Pe baza limitelor observațiilor noastre, planeitatea universului înseamnă că este de cel puțin 400 de ori mai mare decât universul observabil.

Apoi mai este faptul că fundalul cosmic cu microunde este un corp negru aproape perfect. Există ușoare fluctuații ale temperaturii sale, dar este mai uniformă decât ar trebui să fie. Pentru a explica acest lucru, astronomii au propus o perioadă de expansiune masivă imediat după Big Bang, cunoscută sub numele de inflație cosmică timpurie. Nu am observat nicio dovadă directă în acest sens, dar modelul rezolvă multe probleme cosmologice, făcându-l acceptat pe scară largă. Dacă modelul este corect, universul se află pe locul 10²⁶ De ori mai mare decât universul observabil.

Deci, în lumina tuturor acestor dovezi teoretice și observaționale, cum poate cineva să susțină că universul este mic? Este vorba despre teoria corzilor și mlaștini.

Deși teoria corzilor este adesea prezentată ca o teorie fizică, este de fapt o colecție de metode matematice. Poate fi folosit pentru a dezvolta modele fizice complexe, dar poate fi, de asemenea, doar matematică în sine. O problemă legată de legarea matematicii teoriei corzilor cu modelele fizice este că efectele vor fi observate doar în cele mai extreme situații și nu avem suficiente date de observație pentru a exclude modele diferite. Cu toate acestea, unele modele de teorie a corzilor par mai promițătoare decât altele. De exemplu, unele modele sunt compatibile cu gravitația cuantică, altele nu. Adesea, teoreticienii identifică o „mlaștină” de teorii nepromițătoare.

Când separați ținuturile teoretice promițătoare de mlaștină, rămâneți cu teorii în care inflația cosmică timpurie nu este o opțiune. Majoritatea modelelor de teorie a corzilor inflaționiste există în mlaștini. Acest lucru ne face să ne întrebăm dacă puteți construi un model cosmologic care să fie în concordanță cu observația fără inflație timpurie. Ceea ce ne aduce la acest nou studiu.

O modalitate de a ocoli inflația cosmică timpurie este să privim structurile dimensionale superioare. Relativitatea generală clasică se bazează pe patru dimensiuni fizice, trei de spațiu și una de timp, sau 3+1. Din punct de vedere matematic, vă puteți imagina un univers 3+2 sau 4+1, în care structura globală poate fi combinată într-o structură eficientă 3+1. Aceasta este o abordare comună în teoria corzilor, deoarece nu se limitează la structura standard a relativității generale. Autorii arată că, în condițiile potrivite, puteți crea o structură de dimensiuni superioare în cadrul teoriei corzilor, care este în concordanță cu observația și evită mocirle. Pe baza modelelor lor de joc, universul poate fi doar de o sută sau o mie de ori mai mare decât universul observabil. Este încă mare, dar destul de mic în comparație cu modelele de inflație timpurii.

Toate acestea sunt doar speculații, dar într-un fel, acesta este cazul inflației cosmice timpurii. Dacă inflația cosmică timpurie este adevărată, ar trebui să putem observa efectul acesteia prin undele gravitaționale în viitorul destul de apropiat. Dacă acest lucru nu reușește, ar putea merita să ne uităm mai îndeaproape la modelele de teorie a corzilor care ne țin departe de mlaștina teoretică.

referinţă: Linners, Jean-Luc și Quentin, Jerome. „Mic univers„. arXiv preprint arXiv:2309.03272 (2023)