Home » Articole » RO » Știință » Cosmologie » Teoria corzilor în cosmologia Big Bang

Teoria corzilor în cosmologia Big Bang

Big Bang
Credit: NASA/WMAP Science Team

În teoria corzilor, imaginea tradițională a unui Univers care apare din inflația unui petic de spațiu-timp foarte mic și foarte curbat este o posibilitate, nu o necesitate: sunt posibile condiții inițiale destul de diferite și nu neapărat improbabile. În special, simetriile de dualitate ale teoriei corzilor sugerează scenarii în care Universul începe să se extindă dintr-o stare inițială caracterizată prin interacțiuni și curburi foarte mici. O astfel de stare, fiind instabilă gravitațional, va evolua spre curbură și cuplare superioară, până când efectele de dimensiunea corzilor și corecțiile buclei fac ca Universul să „sară” într-un regim standard de curbură descrescătoare. Într-un astfel de context, big bang-ul fierbinte al cosmologiei convenționale este înlocuit cu un „hot big bounce” în care mecanismele de salt și de încălzire provin din producția cuantică de particule în faza de pre-salt cu curbură mare și cuplare mare. Acest scenariu inflaționist a fost propus cu peste 20 ani în urmă. În versiunea sa cea mai simplă (unde reprezintă o alternativă și nu o completare la inflația standard cu desfășurare lentă) poate produce un spectru viabil de perturbații de densitate, împreună cu o componentă tensorală caracterizată printr-un indice spectral „albastru” cu un vârf în gama de frecvente de ordinul GHz. Aceasta înseamnă, din punct de vedere fenomenologic, o contribuție foarte mică la un mod B primordial în polarizarea radiațiilor cosmice de fond (CMB) și posibilitatea unui fundal stocastic suficient de mare de unde gravitaționale pentru a fi măsurabil de detectoarele de unde gravitaționale prezente sau viitoare.

Modelul cosmologic Big Bang standard, formulat și finalizat de diverși autori în a doua jumătate a secolului trecut (vezi de exemplu [1]), ne oferă o descriere excelentă a diferitelor etape importante ale istoriei noastre cosmologice trecute (cum ar fi epoca radiațiilor, nucleosinteza, epoca recombinării, epoca dominației materiei, …). Cu toate acestea, destul de devreme, un astfel de model urmează să fie modificat prin introducerea unei epoci „non-standard” de evoluție cosmică accelerată, numită „inflație”, care este necesară pentru a rezolva problemele de orizont, planeitate și entropie [ 2] implicată de extrapolarea, înapoi în timp, a stării prezente conform ecuațiilor cosmologice standard.

Introducerea unei faze inflaționiste suficient de lungi nu numai că „explică” condițiile inițiale, altfel nenaturale, cerute de evoluția „standard” ulterioară, dar oferă și un mecanism natural (și foarte eficient) pentru amplificarea fluctuațiilor cuantice ale câmpurilor cosmice fundamentale în starea lor fundamentală. Acest mecanism produce „germeni” neomogeni pentru formarea structurii și pentru fluctuațiile temperaturii radiației de fundal cosmic cu microunde (CMB) (vezi, de exemplu, [3]), în acord remarcabil cu observațiile recente (vezi, de exemplu, rezultatul actualizat) enumerate în [4] și ultimele date ale satelitului PLANCK raportate în [5]).

Cea mai populară implementare a scenariului inflaționist este oferită de o versiune adecvată, așa-numitul model al inflației „”cu derulare lentă” (slow-roll”) [6], în care evoluția cosmologică este dominată de energia potențială a unui câmp scalar cosmic („inflatonul”). ”). Cea mai simplă și convențională versiune a unui astfel de model este totuși afectată de diverse dificultăți de natură conceptuală. În primul rând, proprietățile particulare ale inflatonului (masă, cuplaje, energie potențială, … ) împiedică o simplă identificare a acestui câmp în contextul modelelor cunoscute de interacțiuni fundamentale: câmpul inflaton trebuie introdus ad-hoc, și proprietățile sale sunt rezultatul unor reglaje adecvate a parametrilor relevanți.

O altă dificultate este asociată cu proprietățile cinematice ale fazei de inflație lentă, ceea ce implică faptul că dimensiunea spațială a orizontului Hubble cH-1, proporțională cu orizontul evenimentului cauzal, devine din ce în ce mai mică pe măsură ce ne întoarcem în timp spre început. din era inflației (aici c este viteza luminii și H este așa-numitul parametru Hubble). Rezultă, pentru valorile convenționale ale scalei de curbură a inflației (corespunzând, de obicei, scării de energie GUT), că lungimea de undă adecvată (dependentă de timp) a fluctuațiilor observate în prezent la scară mare (de exemplu, fluctuațiile de temperatură ale radiației CMB), atunci când este redimensionată la începutul inflației, trebuie să fie mai mică decât lungimea Planck, λP = (8nGh/c3)1/2 ~ 10-33 cm, dacă inflația durează suficient pentru a rezolva problemele menționate mai sus ( aici G și h sunt constanta Newton și respectiv Planck). În consecință, condițiile inițiale privind fluctuațiile câmpurilor de materie și ale geometriei urmează să fie impuse într-un interval de energie care este în prezent neexplorat și în care extrapolarea fizicii standard este — cel puțin — discutabilă. Aceasta este așa-numita problemă „trans-planckiană” [7].

În plus, dacă orizontul Hubble scade pe măsură ce ne întoarcem în timp, atunci inversul său, scara de curbură spațiu-timp H/c, este în mod necesar în creștere, iar extrapolarea modelului duce inevitabil la o singularitate inițială – sau, cel puțin , la regimul gravitațional cuantic cH-1 ~ λP, unde trebuie să ne confruntăm nu numai cu o dinamică de fluctuație necunoscută, ci și cu o dinamică necunoscută a fundalului însuși. O dovadă a prezenței inevitabile a singularității, în contextul cosmologiei inflaționiste determinate de potențial, bazată pe ecuațiile Einstein, este dată în [8-10].

Toate aceste probleme, precum și alte probleme importante ale cosmologiei primordiale (de ce Universul nostru este cu patru dimensiuni? de ce o mică densitate de energie în vid — așa-numita „energie întunecată” — pare să supraviețuiască până astăzi după inflație?… ), ar trebui să găsească o soluție satisfăcătoare în contextul unei teorii cu adevărat unificate a tuturor interacțiunilor fundamentale. Cel mai bun candidat pentru o astfel de teorie, în prezent, este (în opinia noastră) teoria corzilor, care se bazează pe presupunerea că componentele fundamentale ale tuturor câmpurilor de materie și forțe existente în natură sunt obiecte extinse unidimensionale, numite „corzi”. Aceste obiecte sunt caracterizate prin tensiunea lor (adică, energia pe unitatea de lungime) T și, atunci când sunt cuantificate, au o dimensiune caracteristică dată de

λs = √cħ/T.

Consistența teoriei corzilor necesită existența unor dimensiuni extraspațiale pe lângă cele trei cu care suntem familiarizați. Într-un astfel de context, apar două posibilități. În cel mai convențional scenariu de unificare, în care dimensiunile extraspațiale sunt de dimensiuni comparabile cu scara lungimii corzii [11], parametrul λs se dovedește a fi extrem de mic, λs ~ 10 λP. Ca urmare, toate efectele care țin de caracterul finit al mărimii corzii intră în joc doar la scalele de energie Msc2 = ħc/λs, atât de mari încât să nu fie la îndemâna experimentelor actuale (directe) de înaltă energie. Într-un astfel de caz, puterea de predicție a teoriei este scăzută, deoarece ceea ce poate fi testat prin experimente cu acceleratoare sunt doar predicțiile așa-numitei acțiuni eficiente ale corzilor cu energie scăzută. Din păcate, în stadiul actual al cunoștințelor noastre, o astfel de acțiune poate fi derivată numai în cadrul tehnicilor de calcul perturbative, iar forma ei precisă este necunoscută.

Această concluzie descurajatoare poate fi evitată, cel puțin în principiu, dacă Universul nostru conține dimensiuni extraspațiale compactate pe scale de lungime care sunt mici în comparație cu standardele macroscopice, dar sunt totuși „mari” în raport cu parametrul λs al teoriei corzilor [12, 13]. În acest caz, scara de energie Msc2 poate fi coborâtă cu mult sub scara Planck MPc2 = ħc/λP, chiar și cu multe ordine de mărime, apropiindu-se astfel, posibil, de scara TeV și de intervalul de energie accesibil experimentelor de accelerație prezente (sau în viitorul apropiat).

În orice caz, scările de energie tipice teoriei corzilor (fie aproape fie departe de scara Planck) ar fi trebuit să fie atinse în timpul evoluției primordiale a Universului nostru: teoria corzilor poate fi apoi aplicată în mod corespunzător cosmologiei, pentru a se întreba dacă ( și cum) inflația este prevăzută în mod natural, într-un astfel de context. Se speră să se obțină, pe de o parte, o soluție la problemele deschise ale scenariului inflaționist convențional și, pe de altă parte, o posibilă semnătură fenomenologică a teoriei corzilor, conform tradiției istorice care ne învață că teoriile gravitaționale fundamentale au fost întotdeauna confirmate de observații astrofizice (cum ar fi, de exemplu, teoriile gravitației lui Newton și Einstein).

Scenariul „pre-big bang” [14] este bazat pe simetria dualității factorilor de scară [15] tipică teoriei corzilor. Universul (datorită unui câmp fundamental al teoriei corzilor, dilatonul) poate începe să se umfle dintr-o configurație inițială caracterizată printr-o curbură foarte mică și un orizont Hubble foarte mare, evitând astfel singularitatea și problemele trans-planckiene, și totuși poate să satisfacă proprietățile necesare pentru un scenariu de succes.

Referințe

  • [1]    WEINBERG S., Gravitation and cosmology (Wiley, New York) 1971.
  • [2]    Guth A., Phys. Rev. D, 23 (1981) 347.
  • [3]    Mukhanov V. F., Physical Foundations of Cosmology (Cambridge University Press, Cambridge) 1981.
  • [4]    Particle Data Group webpage at http://pdg.lbl.gov/.
  • [5]    Planck Collaboration, Planck 2015 results. I. Overview of products and scientific results, arXiv:1502.01582 [astro-ph.CO].
  • [6]    Linde A. D., Phys. Lett. B, 129 (1983) 177.
  • [7]    Brandenberger R. H. and Martin J., Mod. Phys. Lett. A, 16 (2001) 999; Phys. Rev. D, 63 (2001) 123501.
  • [8]    Vilenkin A., Phys. Rev. D, 46 (1992) 2355.
  • [9]    Borde A. and Vilenkin A., Phys. Rev. Lett., 72 (1994) 3305.
  • [10]   Borde A., Guth A. and Vilenkin A., Phys. Rev. Lett., 90 (2003) 151301.
  • [11]    Kaplunovsky V., Phys. Rev. Lett., 55 (1985) 1036.
  • [12]    Antoniadis I., Phys. Lett. B, 246 (1990) 377.
  • [13]    Arkani-Hamed N., Dimopoulos S. and Dvali G. R., Phys. Lett. B, 429 (1998) 263.
  • [14]    Gasperini M. and Veneziano G., Astropart. Phys., 1 (1993) 317; Phys. Rep., 373 (2003) 1.
  • [15]    Veneziano G., Phys. Lett. B, 265 (1991).

Sursa: M. Casperini și G. Veneziano, String theory and pre-big bang cosmology, Il Nuovo Cimento 38 C (2015) 160, DOI 10.1393/ncc/i2015-15160-8, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu

© 2022 MultiMedia Publishing

Mecanica cuantică fenomenologică
Mecanica cuantică fenomenologică

O introducere la nivel fenomenologic, cu un aparat matematic minimal, în mecanica cuantică. Un ghid pentru cine dorește să înțeleagă cea mai modernă, mai complexă și mai neconformă disciplină fizică, un domeniu care a schimbat fundamental percepțiile oamenilor de știință … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99$18,34 Selectează opțiunile
Lumina – Optica fenomenologică
Lumina – Optica fenomenologică

O introducere în fenomenologia opticii geometrice (reflexia, refracția, principiul lui Fermat, oglinzi, miraje, dispersia, lentile), opticii fizice (undele luminoase, principiul Huygens–Fresnel, difracția, interferența, polarizarea, vederea tridimensională, holografia), opticii cuantice (fotoni, efectul fotoelectric, dualitatea undă-particulă, principiul incertitudinii, complementaritatea) și culorilor (transparența, … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3,99 Selectează opțiunile
Isaac Newton despre acțiunea la distanță în gravitație - Cu sau fără Dumnezeu?
Isaac Newton despre acțiunea la distanță în gravitație – Cu sau fără Dumnezeu?

Autor: Nicolae Sfetcu Colecția ESEURI Interpretarea textelor lui Isaac Newton a suscitat numeroase controverse, până în zilele noastre. Una din cele mai aprinse dezbateri este legată de acțiunea între două corpuri aflate la distanță unul de celălalt (atracția gravitațională), și … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $0,00$2,20 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.