Laiko pradžios teorija

Stygų teorija laiko, kad Didysis sprogimas buvo ne Visatos pradžia, o tik ankstesnės jos būsenos pasikeitimas.

Ar iki Didžiojo Sprogimo egzistavo Visata? Tokio tipo klausimai pradėti kelti visai neseniai. Iš tikro, kas buvo anksčiau, vienaip ar kitaip, visąlaik nedavė ramybės mąstytojams. Tuos klausimus vaizdžiai perteikė Paul Gaugin 1897 m. paveiksle: "D'ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?" (Iš kur atėjome? Kas mes? Kur einame?)

Senovės graikai daug kalbėjo apie laiko pradžią. Aristotelis, laikęsis pasaulio be pradžios pozicijos, suformulavo principą, kad iš nieko niekas neatsiranda. Tada Visata turėjo egzistuoti amžinai. Tuo tarpu krikščionių teologai buvo linkę laikytis priešingo požiūrio. Augustinas, į klausimą "Ką veikė Dievas iki pasaulio sutvėrimos, atsakė "pats laikas yra Dievo tvarinys; todėl tiesiog nebuvo iki".

Panašią išvadą pagal A. Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją daro šių dienų kosmologai. 3 dešimtm. Patvirtinta, kad Visata plečiasi. 7 dešimtm. S. Hawking'as ir R. Penrose įrodė, kad laikas negali tęstis į praeitį amžinai, nes ateis momentas, kai visa materija sueis į vieną tašką, vadinamą singuliarumą. Bet kuri galaktika susitrauks iki nulinio dydžio. Tokios savybių, kaip tankis, temperatūra ar erdvėlaikio kreivumas, reikšmės taps begalinėmis. Anapus singuliarumo nieko nėra.

Tačiau toks scenarijus sukelia ir rimtų problemų, ypač dėl stebimo Visatos homogeniškumo. Paukščių tako charakteristikos atrodo tokiomis pačiomis, kaip labai tolimų galaktikų. Vienas paaiškinimų galėtų būti, kad atsiradimo metu tos erdvės sritys įgavo vienodas charakteristikas, t.y. homogeniškumas tėra paprastas sutapimas. Tačiau fizikai siūlo dvi priimtinesnes idėjas: pradžioje Visata buvo gerokai mažesnė arba daug senesnė, nei manome. Abiem atveju įmanomas atskirų sričių sąveikavimas.

Šviesa skrieja maždaug 186 tūkst. mylių greičiu – tai maždaug 7 kartus aplink Žemę. Giedrą naktį be Mėnulio Andromedos žvaigždyne galima pamatyti blyškią dėmelę – tai Andromedos ūkas, maždaug šimto milijardų žvaigždžių galaktika, kurių šviesa mus pasiekia maždaug per 2 mln. metų. Tai tolimiausias plika akimi matomas objektas, tačiau lyginant su kitomis galaktikomis, ji artima mūsų kaimynė.

Tas pats pagalvojus apie praeitį. Įsivaizduokime, kad 5 mlrd. Žemės istorija susitraukusi į dešimtmetį. Tada dinozaurai išmirė maždaug prieš 2-3 mėnesius, prieš parą pasirodė žmogbeždžionės, prieš 9 val. žmonės pradėjo gamintis įrankius, prieš 2 min. gimė Kristus, o prieš 3 sek. susprogdinta atominė bomba.

Tačiau mes vis tiek liekame baigtinumo karalystėje: 2 mln. šviesmečių mus skiria nuo Andromedos ūko ir 150 mln. metų nuo dinozaurų. Tai baigtiniai erdvės ir laiko skaičiai. Tuo tarpu atrodo, kad begalybė ne tiesiog netoli, o netgi kito tipo.

Mes žinom esą baigtiniai. Tai faktas, kad mes esame įmesti į pasaulį, kurį sukūrėme ne mes, ir susiduriame su tuo, kas kita nei mūsų. Ir negalime atsikratyti begalinumo jausmo – apie mus gaubiančią, visaapimančią visumą.

Populiaresnė pirmoji, pasireiškianti infliacijos teorija (pateikta 1981 m.), - atseit, pradžioje Visata išgyveno greitėjančio plėtimosi fazę. Iki jos galaktikos arba jų pirmtakai buvo taip glaudžiai suspausti, kad lengvai galėjo keistis savybėmis. Fizikai laiko, kad infliacija prasidėjo kažkur 10^-35 sek. po Didžiojo sprogimo.

Ne tokia populiari yra kita alternatyva, apeinanti singuliarumo atvejį. Jei laikas neturėjo pradžios Didžiojo sprogimo metu, materija galėjo turėti pakankamai laiko savo savybių suvienodinimui.

Viena prielaidų, kad reliatyvumo teorija teisinga, yra užginčijama. Prie singuliarumo, kvantiniai veiksniai turėjo būti dominuojantys.

Šiuo metu vyrauja du požiūriai. Vienas jų, vadinamas cikline kvantine gravitacija, laikosi Einšteino teorijos, tačiau pakeičia jos pritaikymą kvantinei mechanikai. Kitas ir revoliucingesnis – stygų teorija, kurios pradininkas buvo CERN teoretikas G. Veneziano, 2004 m. už ją gavęs Heinemano premiją. Nepaisant pradinio susižavėjimo, stygų teorija buvo užmesta išpopuliarėjus chromodinamikai, laikiusiai el. daleles kvarkų dariniai – kvarkai protonų ir neutronų viduje tarsi sujungti elastingų stygų. Tik 9 dešimtm. stygų teorija atgaivinta ir pradėta taikyti juodosioms skylėms.

Pagrindinis principas yra, kad elementariosios dalelės laikomos ne taškiniais, o nepaprastai plonais vienmačiais objektais, kitaip stygomis. Šių stygų vibravimas išreiškiamas elementariųjų dalelių įvairove. Visų pirma, kvantinės stygos turi baigtinį ilgį. Heizenbergo neapibrėžtumo principas neleidžia stygoms būti trumpesnėmis nei 10^-34 m – dydis, žymimas kaip l_s (svarbi konstanta, šalia šviesos greičio c ir Planko konstantos h). Be to, stygos turi kampinį momentą, nors ir neturi masės (pagal klasikinę fiziką, kūnas be masės negali turėti kampinio momento). Smulkutė styga gali įgauti net dviejų h dydžio kampinį momentą. Ši reikšmė atitinka visų žinomų pagrindinių jėgų (fotono, kaip elekromagnetizmo, ir gravitono) savybes. Trečia, stygų teorijoje būtina įvesti naujus matavimus. Ketvirta, fizikinės konstantos (kaip Niutono ar Coulomb'o) jau nėra fiksuotų reikšmių. Stygų teorijoje jos pasireiškia kaip laukai, galintys dinamiškai keisti savo stiprumą. Konstantų reikšmės gali skirtis skirtingais laikotarpiais ar nutolusiose srityse. Vienas laukų, dilatonas, apibrėžia bendrą visų sąveikų galią. Ji galima traktuoti ir kaip papildomą erdvės matavimą, - ir tada stygų teorija veikia 11 matavimų erdvėje.

Ir pagaliau, kvantinės stygos įvedė naujas simetrijas, dualumus, kurios keičia mūsų intuiciją nagrinėjant nepaprastai mažus objektus, pvz., ilgesnė styga yra lengvesnė, tačiau susitraukusi ji vėl pasunkėja. Kita, T-simetrija laiko, kad papildomi maži ir dideli matavimai yra ekvivalentiški – mat stygos gali judėti sudėtingesniais būdais, nei taškiniai objektai. Tarkim, paimkime uždarą stygą (žiedą) cilindrinėje erdvėje, kurios skersiniai pjūviai sudaro vieną papildomą baigtinį matavimą. Be vibravimo, styga gali suktis aplink cilindrą arba apsivynioti kelis kartus, tarsi gumos juosta. Tam reikalingos energijos sąnaudos priklauso nuo cilindro pločio – kuo jis mažesnis, tuo lengviau vyniojasi stygos. Iš kitos pusės, platūs cilindrai leidžia ilgesnes bangas, o tam reikia mažiau energijos. Išorinis stebėtojas mato tik energijų lygius, tačiau nemato jų kilmės. Jam platūs ir siauri cilindrai atrodo ekvivalentiški.

Nors T-simetrija dažniausiai aprašoma cilindrinių erdvių, kurių vienas matavimas (pjūvis) yra baigtinis, terminais, jos atmaina pritaikoma ir mūsų įprastai trimatei erdvei, kuri ištempiama į begalybę. Reikia būti atidiems, kalbant apie begalinės erdvės ištempimą. Jos bendras dydis nesikeičia, nes ir toliau lieka begalinis. Tačiau joje esantys objektai, pvz., galaktikos, nutolsta vieni nuo kitų. Tad tas veiksmas paveikia tik mastelį. Pagal T-simetriją, visatos su mažais masteliais yra ekvivalenčios visatoms su dideliais masteliais. Tokios simetrijos nėra Einšteino lygtyse.

Ilgokai teoretikai manė, kad T-dualumas ūdingas tik uždaroms stygoms. 1995 m. J. Polchinski nustatė, kad T-dualumą galima pritaikyti ir atviroms stygoms, kurioms būdingas sąlygų pasikeitimas jų galuose. Tos sąlygos pavadintos Dirichlet ribinėmis sąlygomis.

Bet kuri styga gali derinti abu ribinių sąlygų atvejus. Pvz., elektronai gali būti stygomis, kurių galai maskatuojasi trijuose iš 10 matavimų, tačiau pritvirtinti kituose 7-iuose. Tie 3 matavimai sudaro suberdvę, vadinamąją Dirichlet membraną arba D-braną. 1996 m. P. Horava ir E. Witten pasiūlė, kad mūsų Visata randasi tokioje briaunoje.