Przez ponad 100 lat podstawy współczesnej kosmologii opierały się na jednym eleganckim założeniu: Wszechświat jest jednorodny i jednolity w największych skalach. Jednak nowe badania pokazują, że to długo utrzymywane przekonanie może być błędne. Pojawiające się dowody wskazują, że Wszechświat może być znacznie bardziej „niejednolity” (heterogeniczny), niż wcześniej sądzono. Odkrycie to może zasadniczo zmienić nasze rozumienie przestrzeni, czasu i ewolucji kosmicznej.
Wadliwe podstawy: model FLRW
Aby zrozumieć, dlaczego jest to ważne, należy rozważyć model FLRW (nazwany na cześć Friedmana, Lemaitre’a, Robertsona i Walkera). Ponieważ nie jest możliwe sporządzenie mapy każdej pojedynczej galaktyki, kosmolodzy tradycyjnie używali tego modelu w celu uproszczenia Wszechświata. Zakłada dwie kluczowe właściwości:
- Jednorodność: Wszechświat wygląda mniej więcej tak samo niezależnie od tego, gdzie jesteś.
- Izotropia: Wszechświat wygląda tak samo we wszystkich kierunkach.
Postrzegając Wszechświat jako gładki, jednolity „płyn”, naukowcom udało się zinterpretować przez tę soczewkę prawie wszystkie obserwacje kosmologiczne. Jeśli jednak Wszechświat faktycznie charakteryzuje się nieregularnościami na dużą skalę – czyli „zlepkami” – wówczas narzędzia matematyczne używane do jego pomiaru w ciągu ostatniego stulecia mogą dawać zniekształcony obraz rzeczywistości.
Nowy sposób sprawdzania rzeczywistości
W serii niedawnych wydruków wstępnych badacze zaproponowali i przetestowali nową metodę określania wykonalności modelu FLRW.
- Metodologia: Timothy Clifton (Uniwersytet Queen Mary w Londynie) i Asta Heinesen (Uniwersytet w Kopenhadze) opracowali test wykorzystujący kombinacje wzorów na odległość kosmiczną. Wzory te wyprowadzono z obserwacji supernowych i wahań gęstości materii.
- Standard zerowy: Test został zaprojektowany w taki sposób, że jeśli model FLRW jest poprawny, wynik musi wynosić ściśle zero. Każdy wynik niezerowy służy jako „niepodważalny dowód”, że model nie jest w stanie opisać prawdziwego Wszechświata.
- Rola sztucznej inteligencji: zastosowanie tego testu do istniejących danych jest niezwykle trudne, ponieważ większość wcześniejszych zestawów danych została już przetworzona przy użyciu założenia FLRW. Aby obejść tę tendencję, Heinesen i Sophie Marie Koxbang (Uniwersytet Południowej Danii) zastosowali regresję symboliczną – metodę opartą na sztucznej inteligencji – w celu wyodrębnienia pomiarów odległości bez polegania na starym modelu.
Wyniki były zdumiewające: badacze uzyskali wynik oczywiście niezerowy, co wskazuje, że model standardowy jest wadliwy.
Dlaczego to ma znaczenie: rozwiązywanie zagadek kosmologicznych
Jeśli odkrycia te zostaną potwierdzone, mogą stanowić „brakujące ogniwo” w rozwiązaniu kilku głównych problemów fizyki. Obecnie kosmolodzy borykają się z szeregiem niewyjaśnionych zjawisk, m.in.:
- Rozbieżność w tempie ekspansji: Rozbieżność pomiędzy tempem, w jakim Wszechświat rozszerzał się na początku swojej historii, a tempem, w jakim rozszerza się obecnie.
- Tajemnica ciemnej energii: Ostatnie pomiary pokazują, że ciemna energia, tajemnicza siła napędzająca kosmiczną ekspansję, może zmieniać się w czasie, co jest sprzeczne ze standardowymi teoriami.
Clifton sugeruje, że te tajemnice mogą nie być spowodowane „nową fizyką”, taką jak dziwna ciemna energia, ale błędną matematyką. Jeśli Wszechświat jest raczej heterogeniczny niż gładki, to nasze obecne pomiary są jedynie „średnimi”, które nie uwzględniają lokalnych anomalii. „Nierówny” Wszechświat w naturalny sposób powodowałby obserwowane przez nas rozbieżności w szybkościach ekspansji i pomiarach energii.
Droga naprzód
Chociaż wyniki wyglądają obiecująco, społeczność naukowa pozostaje ostrożna. Wyniki nie osiągnęły jeszcze ścisłego progu statystycznego wymaganego do oficjalnego twierdzenia o „odkryciu”. Zespół badawczy będzie teraz musiał poczekać na dokładniejsze dane astronomiczne z przyszłych misji, aby sprawdzić, czy sygnał ten się utrzyma.
Jak zauważył Subodh Patil z Uniwersytetu w Lejdzie, chociaż należy zachować ostrożność, aby uniknąć błędnej interpretacji danych, samo podejście jest „fantastyczne”, ponieważ odpowiada na najbardziej podstawowe pytania w tej dziedzinie.
„To sugeruje, że wszechświat może nie być tak prosty, jak się wydaje” – mówi Timothy Clifton.
Wniosek
Jeśli Wszechświat rzeczywiście jest bardziej heterogeniczny, niż pozwalają na to nasze modele, możemy być o krok od zmiany paradygmatu, która rozwiąże najgłębsze sprzeczności współczesnej fizyki.
