Současným standardním kosmologickým modelem je scénář velkého třesku s inflační fází, který vysvětluje původ a vývoj vesmíru. Podle této teorie vesmír vznikl ze singularity, exponenciálně se rozpínal nadsvětelnou rychlostí a pak se toto rozpínání zpomalilo na současnou rychlost. Přestože tato teorie má několik problémů, je v současné době nejlepší teorií, která je v souladu s naším pozorováním.
V roce 2001 byla ke kosmologii inflačního velkého třesku navržena alternativa, která získala určitou pozornost. Označuje se jako "ekpyrotická kosmologie" a popisuje mladý vesmír, který vznikl bez velkého třesku srážkou vícerozměrných "bran".
Tento nový kosmologický model se opírá o nedávné práce o gravitaci v milimetrovém měřítku, které vycházejí z M-teorie (tedy teorie superstrun). Podle teorie gravitace v milimetrovém měřítku je každý 4-rozměrný bod v našem vesmíru uzavřen v tenké vícerozměrné "D-bránové stěně", na níž jsou upevněny silná, slabá a elektromagnetická interakce, zatímco gravitační interakce se z této stěny může rozpínat ve dvou a více dodatečných rozměrech. Gravitace je slabá, protože její siločáry se ztrácejí v těchto dodatečných rozměrech. Zbývající tři silové interakce jsou upevněny na D-bránové stěně a nemohou se takto zeslabit. Termín "brána" je odvozen od termínu "membrána", která představuje tenké membráně podobnou strukturu ve vícerozměrném prostoru.
Nová ekpyrotická kosmologie odvozuje své jméno od představy řeckých stoických filozofů, podle nichž vesmír cyklicky zaniká a znovu vzniká ohněm. Podle této kosmologie vesmír vznikl srážkou dvou těchto membrán. Jinými slovy náš vesmír byl chladný a neměl po neurčitou dobu žádné známé fyzikální vlastnosti. Pak se srazil s jinou membránou a touto srážkou vznikla energie, hmota a jeho velkorozměrová struktura. V tomto scénáři vesmír nezačal svoji existenci z nekonečně horké singularity o velikosti Planckovy délky. Svoji existenci započal z konečné velikosti a teploty, které byly na počátku statické a po srážce se začaly zvětšovat.
Abychom lépe pochopili důsledky této nové teorie, popíšeme základní vlastnosti standardního modelu velkého třesku s inflační fází. Podle základního modelu velkého třesku náš vesmír vznikl ze singularity, bodové oblasti prostoru přesycené energií. Proto tato oblast tvořila velmi horké a velmi husté prostředí, v němž byla gravitace natolik silná, že vesmír byl zakřiven sám v sobě s poloměrem křivosti jen 10-34 m. Jakmile se vesmír rozpínal, začal se ochlazovat a řídnout. Fundamentální silové interakce se začaly od sebe oddělovat na silnou, slabou, elektromagnetickou a gravitační interakci. Výsledná směs hmoty, neutrin a záření se od sebe oddělila a ochladila se. Jednotlivé složky se dále vyvíjely odlišným způsobem. Záření dnes pozorujeme jako kosmické mikrovlnné pozadí. Hmota se shlukovala do plynoprachových mračen, z nichž později vznikly galaktické kupy a galaxie hvězd. Některé tyto hvězdy později explodovaly jako supernovy a do vesmíru uvolnily těžší chemické prvky, které v nich vznikly jadernými reakcemi z vodíku a hélia. Kolem některých hvězd z prachových disků vznikly planety a na některých planetách později vznikl také primitivní život, který se zřejmě velmi vzácně vyvinul ve složitý život.
Tento standardní model velkého třesku má však některé závažné problémy: problém homogenity, plochosti, nehomogenity a monopólů. Hypotetický pozorovatel bezprostředně po velkém třesku by pozoroval horizont viditelného vesmíru (oblast, v níž světlo v důsledku Dopplerova jevu má nulovou energii) ve vzdálenosti asi 10-34 m. Krátce po velkém třesku se všechny prostorové oblasti této velikosti od sebe kauzálně oddělily do mnoha podobných oblastí. Horizont viditelného vesmíru by měl obsahovat 1090 těchto kauzálně oddělených oblastí, které postupně přicházejí do kauzálního kontaktu se zbytkem našeho vesmíru. Neexistuje žádný důvod, proč by se těchto 1090 oblastí mělo navzájem spojit. Přesto měření mikrovlnného pozadí sondou COBE ukazuje, že toto pozadí je značně spojité. Tato spojitost je proto velkou záhadou. Proč se 1090 nezávislých částí vesmírů tak vzájemně podobá? Tato otázka je podstatou problému homogenity.
Problém plochosti vesmíru spočívá ve faktu, že současný vesmír nemá výrazně kladnou nebo zápornou křivost. Existuje téměř přesná rovnováha mezi energií rozpínání vesmíru a gravitačním přitahováním vesmíru. Gravitace a rozpínání jsou v toleranci 1 procenta v dokonalé rovnováze. Problém nehomogenity souvisí s otázkou původu struktur pozorovaných v kosmickém mikrovlnném pozadí a ve velkorozměrové struktuře vesmíru. Problém monopólů souvisí s otázkou, proč nepozorujeme magnetické monopóly, které vznikaly ve velkém množství krátce po velkém třesku.
V současné době přijaté řešení těchto problémů, "inflační scénář", předpokládá, že ve velmi počátečních stádiích velkého třesku se vesmír exponenciálně rozpínal z důvodů, které dosud dobře nechápeme. Jeho poloměr se zvětšoval rychlostí vyšší než je rychlost světla. Inflační scénář sice řeší problémy standardního velkého třesku, ale přináší některé vlastní problémy.
Problémem inflačního scénáře spočívá v tom, že je do teorie vložen kvůli řešení určitých problémů bez vysvětlení nebo bez fyzikálního mechanismu. Původ enormně silné síly, která způsobila exponenciální rozpínání vesmíru, je nejasný a není ani jasné, proč tato síla působila jen po určitou dobu a pak zmizela. Inflační model velkého třesku dále vyžaduje pochopení zákonů fyziky v Planckově měřítku poblíž počáteční singularity, kdy hustota energie byla tak vysoká, že nelze použít žádné současné teorie a žádné potenciální experimenty.
Ekpyrotický scénář nabízí zajímavou alternativu inflačního scénáře. Popisuje náš vesmír jako "viditelnou membránu", tedy hyperpovrch D-brány, v níž nyní existujeme. Scénář předpokládá existenci blízké "skryté membrány", jiného vesmíru na D-bráně, který je paralelní vůči našemu vesmíru a je od něj oddělen konstantní vzdáleností ve dvou nebo více dodatečných rozměrech. Na počátku, snad po velmi dlouhou dobu, byla viditelná membrána chladná, statická a prázdná. V určitém okamžiku se od skryté brány oddělila lehčí "rozměrná membrána", která se pohybovala napříč mezerou ve zmíněných dodatečných prostorech a srazila se s viditelnou membránou. Mezi membránami před a po srážce působily gravitační a jiné silové interakce, v jejichž důsledku se viditelná membrána před srážkou smršťovala a po srážce rozpínala. Toto smršťování, srážka a rozpínání vedlo ke vzniku rozpínajícího se vesmíru, jaký dnes pozorujeme.
Membrány, které se srazily, byly na počátku ploché (ve smyslu prostorové křivosti) a tato plochost se přenesla do našeho vesmíru po srážce membrán. Vlny v rozměrné membráně ustavily rovnováhu mezi homogenitou a velkoobjemovou strukturou, jíž dnes pozorujeme. Ekpyrotický vesmír nikdy nebyl dostatečně horký a dostatečně blízko singularity, aby v něm mohla vzniklo ohromné množství magnetických monopólů, které předpovídá model velkého třesku. Ekpyrotický scénář tedy řeší všechny problémy velkého třesku bez nutnosti zavádět inflační fázi. Proto nevyžaduje fyziku v Planckově měřítku ani záhadné síly, které inflaci zastavily. Tento scénář je až do určitých velmi vysokých teplot identický s modelem velkého třesku. Proto odštěpení silových čtyř silových interakcí od původní superinterakce, syntéza lehkých prvků a vznik mikrovlnného radiového pozadí v obou modelech proběhlo shodně.
Rozhodujícím kritériem úspěšnosti nějaké hypotézy je možnost experimentálního testování jejích předpovědí. V tomto případě je otázkou, zda lze nějakými testy od sebe odlišit inflační scénář od ekpyrotického scénáře. Hlavním rozdílem mezi oběma modely jsou vlastnosti produkovaných prvotních gravitačních vln. Inflační model předpovídá "rudé" spektrum gravitačních vln, jejichž intenzita klesá s klesající vlnovou délkou, zatímco ekpyrotický model předpovídá "fialové" spektrum gravitačních vln, jejichž intenzita s klesající vlnovou délkou roste. Proto studium spektra gravitačních vln z období krátce po vzniku vesmíru by mohlo být rozhodujícím testem.
Bohužel, tyto jevy jsou příliš slabé na to, aby je bylo možno zjistit gravitačním detektorem LIGO americké Národní vědecké nadace, který byl uveden do provozu ve státě Louisiana a ve státě Washington. Dokonce ani satelitní detektor LISA, který provozuje evropská agentura pro vesmír ESA (European Space Agency), nebude schopen takové slabé jevy zachytit. Další možností je detekovat optickou polarizaci kosmického mikrovlnného pozadí, které bylo vyvoláno jevy gravitačních vln dlouhých vlnových délek. Objev této polarizace by podpořil inflační model a vyvrátil ekpyrotický model. Dosud však žádná taková polarizace nebyla pozorována.
Při úvahách o ekpyrotickém modelu nesmíme zapomenout na jeho zásadní předpoklad, že M-teorie skutečně popisuje náš vesmír.
Odkazy autora článku:
* [X2] "The Ekpyrotic Universe: Colliding Branes and the Origins of the Hot Big Bang", J. Khoury, B. O. Ovrut, P. J. Steinhardt, and N. Turok, preprint hep-th/0103239 v3
* [X3] "From Big Crunch to Big Bang", J. Khoury, B. O. Ovrut, N. Seiberg, P. J. Steinhardt, and N. Turok, preprint hep-th/0108187 v3
Literatura a odkazy:
[X1]
John G. Cramer: Brane Bashing: Big Bang or Big Clap? Analog Science
Fiction & Fact Magazine. Alternate View Column AV-111. April 2002