מודל מתמטי חדש שפותח באוניברסיטת פנסילבניה איפשר לחשב טוב יותר מה היה לפני המפץ הגדול - מסתבר שהיה יקום שהתכווץ
גילויים חדשים אודות יקום אחר שקרס ונראה כי הוליד את היקום שבו אנו חיים, הוכרזו בגליון ה-1 ביולי בגרסה המקוונת של כתב העת נייצ'ר פיסיקס, והיא גם תופיע בגרסה המודפסת של המגזין בגליון אוגוסט.
"המחקר שלי מציג מודל מתמטי חדש שנוכל להשתמש בו כדי לגזור פרטים חדשים אודות תכונות המצב הקוונטי בעת מעבר דרך ניתור גדול (Big Bounce), המחליפה את הרעיון הקלאסי של המפץ הגדול כתחילת היקום" אומר מרטין בוג'וואלד, פרופסור לפיסיקה באוניברסיטת מדינת פנסילווניה (פן סטייט). מחקרו של בוג'וואלד גם מעלה השערה כי אף שניתן ללמוד אודות תכונות רבות של היקום המוקדם, אנשים יהיו תמיד לא בטוחים אודות כמה מהתכונות הללו מכיוון שחישוביו חושפים תכונה המכונה "שכחה קוסמית" כתוצאה מהכוחות הקוונטיים העצומים שאירוע בקפיצה הגדולה. הרעיון לפיו היקום נוצר במפץ גדול היתה מחסום גדול בניסיונות המדעיים להבין את מקור היקום המתפשט שלנו, אף כי מודל המפץ הגדול נחשב מזה זמן רב על ידי הפיסיקאים למודל הטוב ביותר. כפי שתואר על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, מקור המפץ הגדול הוא בנקודה הסינגולרית שבה היה נפח היקום אפס, אך הוא גם הכיל צפיפות אינסופית וכמות גדולה עד אינסוף של אנרגיה.
כעת בכל אופן, טוענים בוג'וואלד ופיסיקאים אחרים בפן סטייט כי הם חוקרים טריטוריה שלא היתה מוכרת אפילו לאיינשטיין – הזמן שלפני המפץ הגדול – תוך שימוש במודל מתמטי של מכונת זמן המכונה לולאת כבידה קוונטית (Loop Quantum Gravity). תיאוריה זו, המשלבת את תורת היחסות הכללית של איינשטיין עם משוואות הפיסיקה הקוונטית שלא פותחו עדיין בימיו של איינשטיין. זהו התיאור המודל המתמטי הראשון המייסד באופן עקבי את תורת הקפיצה הגדולה ומביאה למסקנות אודות תכונותיו של היקום המוקדם יותר שממנו הסתעף. עבור המדענים, הניתור הגדול פתח סדק בגדר בין שני היקומים – שאנו רואים כמפץ הגדול.
"תורת היחסות הכללית של איינשטיין איננה כוללת את פיסיקת הקוונטים שחייבים לשלב את משוואותיה כדי לתאר את האנרגיות הקיצוניות ששלטו ביקום שלנו במהלך השלבים המוקדמים מאוד של התפתחותו" מסביר בוג'וולד, "ואולם כעת הגענו לתיאורית לולאת הכבידה הקוונטית, תיאוריה הכוללת את פיסיקת הקוונטים".
לולאת הכבידה הקוונטית פותחה לראשונה במכון לפיסיקה וגיאומטריה של כבידה בפן סטייט, וכעת היא משמשת כגישה מובילה בנסיון לאחד את תורת היחסות הכללית ואת פיסיקת הקונטים, טוען בוגו'וולד. המדענים משתמשים בתיאוריה הזו כדי לעקוב אחר היקום אחורנית בזמן ומצאו כי בנקודת ההתחלה שלו הנפח של היקום היה זעיר אך לא אפס ושהאנרגיה היתה מרבית אך לא אינסופית. כתוצאה ממגבלות אלו, ממשיכות משוואות התיאוריה לייצר תוצאות מתמטיות תקפות גם לאחר נקודה זו הנחשבת בפיסיקה הקלאסית כמפץ הגדול, ומספקת למדענים חלון לתקופות שלפני המפץ הגדול.
"תורת הקוונטים מעידה על כך שלמארג הזמן-חלל יש מבנה גיאומטרי הנשזר באריג החד ממדי של תורת הקוונטים. מארג זה נקרע באלימות תחת התנאים הקיצוניים הנשלטים בידי מכניקת הקוונטים בקרבת הניתור הגדול, וגורמים לכבידה להפוך לדחיה, כך שבמקום להעלם אל האינסוף כפי שחוזה תורת היחסות הכללית של איינשטיין, היקום מנתר לאחור במעין ניתור גדול ומוליד מתוכו את היקום המתפשט שאנו חווים כיום. התיאוריה חושפת יקום שהתכווץ לפני המפץ הגדול, עם מארג חלל-זמן שאחרת היה דומה לזה שאנו מכירים ביקום של היום.
בוג'וולד מצא כי עליו ליצור מודל מתמטי חדש שישתמש בתורת לולאות הכבידה הקוונטיות כדי לחקור את היקום לפני הניתור הגדול בדיוק רב יותר. "היה צורך לפתח מודל מדויק יותר בתוך תורת לולאת הכבידה הקוונטית, מודל שיהיה עידן יותר מהשיטות הנומריות הקיימות, הדורשות הערכות בזו אחר זו של הפתרונות ומספקת תוצאות שאינן כלליות ושלמות כפי שהיינו מבקשים" מסביר בוג'וולד. הוא פיתח מודל מתמטי המספק פתרונות אנליטיים מדויקים באמצעות פתרון מספר משוואות מתמטיות.
בנוסף להשגת הדיוק, המודל של בוג'וולד גם קצר בהרבה. הוא ניסח מחדש את המודלים של הכבידה הקוונטית תוך שימוש בתיאור מתמטי שונה, שלדבריו הופך לאפשרי את הפתרון המדויק של המשוואות וגם מאפשר לפשט את התהליך. "המודלים הנומריים המוקדמים נראו מורכבים בהרבה, אך הפתרונות שלהם נראו נקיים מאוד, דבר שרמז על קיומם של מודלים פשוטים יותר" אמר.
בוג'וולד הגיע למסקנות מעניינות נוספות לאחר שגילה כי לפחות אחד הפרמטרים של היקום הקודם לא שרדו את המסע דרך הניתור הגדול ולפיכך היקום העוקב (שלנו) עשוי להיות העתק לא מושלם של קודמו. "החזרה של יקום זהה לחלוטין נראית כנמנעת בשל התכונה הבלתי נמנעת של השכחה הקוסמית.
המחקר מומן בחלקו בידי הקרן הלאומית למדע.