Einstein módosított elmélete drasztikusan megváltoztathatja az ősrobbanás teóriáját

Az univerzum keletkezésének kozmológiai modellje, az ősrobbanás számos nehezen megválaszolható kérdést foglal még magában. Egy frissen publikált tanulmány Albert Einstein általános relativitáselméletének módosítását javasolja, ami a publikációt jegyző elméleti fizikusok szerint lehetőséget ad az ősrobbanás egyik legnyugtalanítóbb problémájának a megválaszolására.

Albert Einstein relativitáselmélete nem ad kielégítő magyarázatot az ősrobbanás szingularitására Fotó: Wikimedia Commons

Az ősrobbanás művészi ábrája   Fotó: Earth.com

A Physical Review Letters szakfolyóiratban március 18-án megjelent új tanulmány a világegyetem születésének egy másik magyarázatát javasolja az ősrobbanás helyett. Az einsteini általános relativitáselmélet által megjósolt szingularitásból történt hirtelen keletkezés helyett a tanulmányt jegyző szaktudósok úgy vélik, hogy a korai univerzum egy ennél jóval kontrolláltabb, nagy energiájú fázison ment keresztül, amelyet a kvadratikus gravitáció (QQG) néven ismert módosított gravitációs elmélet irányíthatott.

Albert Einstein 1915-ben megalkotott és a következő évben, 1916-ban publikált általános relativitáselmélete lényegét tekintve a gravitáció geometriai leírása. Einstein a gravitációt az egyesített tér és az idő, vagyis a téridő geometriai következményeként fogalmazta meg, mely szerint a téridő görbülete közvetlenül kapcsolódik bármely jelenlévő anyag és sugárzás energiájához, illetve impulzusához.Az általános relativitáselmélet ekvivalencia-elve szerint pedig lokálisan megkülönböztethetetlen egymástól, hogy egy testre ható erőt a gravitáció, vagy pedig a koordináta-rendszer gyorsulása okozza-e.

Az általános relativitáselmélet rendkívül sikeresnek bizonyult a gravitáció nagy léptékű leírásában, megmagyarázva például a fekete lyukak viselkedését vagy az univerzum tágulását. 

Az univerzum evolúciója az ősrobbanás pillanatától kezdve   Fotó: ELTE

Ugyanakkor az einsteini általános relativitáselmélet már sokkal nehezebben talál választ a kvantummechanika ultra szűk világában zajló folyamatokra, ami miatt számos elméleti fizikus véli azt, hogy Einstein elmélete néhány alapvető és éppen ezért feloldandó ellentmondást tartalmaz.

Nem egyetlen pontból kiindulva keletkezhetett az univerzum

„Az a fő probléma, hogy Einstein általános relativitáselmélete extrém körülmények között, így például az ősrobbanás szingularitása esetében megjósolja a saját kudarcát” – mondj Niayesh Afshordi, a tanulmány egyik társszerzője, akit a Live Siceince tudományos hírportál idéz. 

Az ősrobbanás szingularitásában a sűrűség és a téridő görbülete végtelenné válik ami egyértelműen arra utal, hogy az einsteini általános relativitáselmélet hiányos. 

A fizikusok már régóta keresnek egy olyan modellt, ami képes leírni a gravitációt a szingularitás extrém körülményei között is.

Az ősrobbanás szingularitására nem ad kellő magyarázatot az einsteini elmélet   Fotó: Solar Story

 „Ami [a kvadratikus kvantumgravitációt] érdekessé teszi az az, hogy matematikailag konzisztens módot kínálhat a gravitáció leírására nagyon rövid távolságokon belül és nagyon nagy energiákon, ott, ahol a hagyományos általános relativitáselmélet várhatóan felborul” – magyarázza Niayesh Afshordi. „Ebben az értelemben a modellünk egy olyan lehetséges konzervatív utat kínál a gravitáció kvantumelmélete felé, ami továbbra is közel marad Einstein elméletéhez a közönséges skálákon” -fűzi hozzá a tanulmány társszerzője. A tanulmányt jegyző kutatók azt vizsgálták, hogy a kvadratikus gravitáció, a QQG hogyan alakítaná át a kozmosz legkorábbi pillanatait, ha és amennyiben ez valóban Einstein elméletének a helyes kiegészítése.

Csak nehezen értelmezhetők a kozmosz legkorábbi pillanatai   Fotó: ESA/Lives Science

Eredményeik arra utalnak, hogy a világegyetem keletkezése egyáltalán nem egyetlen pontból indult ki. „ A fő eredményünk az, hogy a kvadratikus gravitáció keretein belül a nagyon korai univerzum elkerülheti a szokásos ősrobbanás-szingularitást, és ehelyett egy jobban kontrollált nagy energiájú fázison haladhat át” – mondja Afshordi. 

Az új elmélet szerint a végtelenül sűrű állapotból való kilábalás helyett a világegyetem egy simább, stabilabb konfigurációban kezdődött volna el, 

méghozzá véges sűrűséggel és véges hőmérséklettel, pontos tulajdonságai pedig a rendkívül magas energiákon és hőmérsékleteken jelen lévő részecskéktől és mezőktől függtek volna. Ez a modell pedig lehetőséget kínál a standard kozmológia egyik legaggasztóbb jóslatának az elkerülésére. Az elmélet ugyanis új perspektívát kínál a kozmikus inflációra, arra a rendkívül gyors tágulási időszakra, amelyről úgy gondolják, hogy közvetlenül az ősrobbanás után következett be.

Másként viselkedhetett a gravitáció az idő kezdetén

A standard modellekben a tágulást jellemzően egy titokzatos erő, az inflációs mező okozza. Ezt a mezőt azonban még soha nem figyelték meg közvetlenül. Ezzel szemben a QQG természetes módon magára a gravitációra hatva hozza létre az inflációt az új elmélet szerint. „Más szóval, néhány kulcsfontosságú összetevő, amit általában külön adunk a standard kozmológiai modellhez, közvetlenül magából a gravitációs elméletből is eredhet” – mondja Niayesh Afshordi.

Az új elmélet szerint nem az ősrobbanás volt az univerzum megszületésének egyetlen pillanata   Fotó: AAS Nova

A kvadratikus gravitáció egyik feltűnő tulajdonsága, hogy az energiaskálától függően nagyon eltérően viselkedik. Rendkívül magas energiákon új kvantumszabályokat követ. De ahogy az univerzum tágul és hűl, visszatér az Einstein által leírt ismerős fizikához. 

Az új elmélet szerint a gravitáció nagyon magas energiákon egyszerűbbé válik 

– ezt a tulajdonságot aszimptotikus szabadságnak nevezik –, még mielőtt elérte volna a ma megfigyelhető formáját. Végül az univerzum belép a standard kozmológia által leírt forró és sugárzással teli fázisába. Ez a keretrendszer folyamatos hidat képez egy korai univerzum egzotikus, valamint a későbbi idők jól bevált és ismert fizikája között. 

                                          A kozmikus infláció korai gyors szakasza arra vezethető vissza, hogy a gravitáció másként működött a kezdeti pillanatokban                                           Fotó: NASA/JPL-Caltech

A kulcskérdés azonban az, hogy vajon ennek az új modellnek a helyessége tesztelhető-e? „Igen, legalábbis elvileg” – válaszolja Afshordi. „A legígéretesebb tesztek különösen a korai univerzum ősi gravitációs hullámokra és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra gyakorolt nyomaiból származhatnak” – véli a tanulmány társszerzője. 

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás egy olyan elektromágneses sugárzás, amely az egész univerzumot kitölti. Nagyjából 380 ezer évvel az ősrobbanás után az atommagok és az elektronok atomokká álltak össze, lehetővé téve a fotonok számára az univerzum átjárhatóságát, vagyis ettől számítva vált láthatóvá a korai világegyetem. A mikrohullámú háttérsugárzás ebből az időből származik, amit az ősrobbanás egyik legkomolyabb bizonyítékának tekintenek.

Ezek az ősi jelek információkat hordoznak az univerzum legkorábbi pillanatairól. Az új elmélet szerint e jeleknek finom eltéréseket kellene tartalmazniuk a standard inflációs modellekből származó előrejelzésekhez képest.

Nem az ősrobbanás lehetett az egyetlen kezdet

- A forgatókönyvünknek az az egyik különösen érdekes aspektusa, hogy egyedi előrejelzésekhez vezethet a korai univerzumban keletkező gravitációs hullámjelre vonatkozóan” – jegyzi meg Niayesh Afshordi. „Ahogyan a megfigyelések érzékenysége az elkövetkező években és évtizedekben jelentősen javulhat, az ősi gravitációs hullámok jövőbeli mérései elkezdhetik megkülönböztetni ezt a fajta modellt a hagyományosabb inflációs forgatókönyvektől” – fűzi hozzá a kutató. 

Az új elmélet átírhatja az univerzum keletkezésére vonatkozó elképzeléseket   Fotó: Space Wallpapers

Bár az új elképzelés helyességének bizonyítása még további kutatásokat igényel, mégis meggyőző lehetőséget kínál arra, hogy talán az ősrobbanás nem az egyetlen kezdet lehetett, hanem csak a gravitáció egy mélyebb, kvantummechanikai szelete. Ha ez beigazolódik, akkor ez a keretrendszer átalakíthatja a tudósok elképzeléseit az univerzum eredetéről, és a standard kozmológiai egyik legnagyobb problémáját egy teljesen új komplexebb képpel helyettesítheti a kozmikus kezdetekről.

A tanulmányt teljes terjedelmében és angol nyelven itt lehet elolvasni.

Az új elmélet szerint:

• az általános relativitáselmélet önmagában nem tudja megmagyarázni az ősrobbanás szingularitását,
• ami szükségessé teszi az einsteini elmélet kiegészítését, illetve módosítását,
• aminek az adhatja az alapját, hogy a gravitáció másként viselkedett a korai univerzumban,
• valamint, hogy nem az ősrobbanás lehetett a világegyetem megszületésének az egyetlen pillanata.