Planko epocha: Visatos pradžia (iki ~10^-43 s) ir kvantinė gravitacija

Planko epocha – tai ankstyviausias Visatos istorijos laikotarpis, trunkantis nuo laiko nulio iki maždaug Planko laiko tₚ (apytiksliai iki ~10⁻⁴³ s). Planko skalė žymi fizikinį mastą, už kurio dabartinės teorijos — ypač klasikinė Einšteino bendroji reliatyvumo teorija — nebeturi patikimumo, nes kvantiniai efektai tampa dominuojantys. Šioje epochoje visi pagrindiniai fizikiniai dydžiai (temperatūra, energijos tankis, kurvatura) buvo artimi Planko vienetų reikšmėms: Planko laikas tₚ ≈ 5,39×10⁻⁴4 s, Planko ilgis lₚ ≈ 1,62×10⁻³5 m, Planko masė mₚ ≈ 2,18×10⁻⁸ kg (atitinkanti energiją ~1,22×10¹⁹ GeV) ir Planko temperatūra Tₚ ≈ 1,42×10³² K. Dėl tokių nepaprastai didelių temperatūrų ir energijų subatominės dalelės negalėjo egzistuoti klasikinėmis formomis, o keturios pagrindinės jėgos galėjo būti suvienytos į vieną bendrą jėgą.

Planko skalės prasmė ir kodėl įprastos teorijos žlunga

Planko vienetai išvedami iš trijų fundamentalių konstantų: gravitacijos konstantos G, šviesos greičio c ir sumažinto Planko konstanto ħ. Kai tipiniai ilgiai, laikai ar energijos Visatoje priartėja prie šių vienetų, kvantinės ir gravitinės sąveikos tampa neatskiriamos. Praktinis to pasekmių pavyzdys: esant energijoms ~mₚ c², kvantinio lauko dalelių Compton ilgis tampa to paties dydžio kaip jų Švarcšildo spindulys – tai reiškia, kad kvantinės lauko teorijos be gravitacijos ir klasikinė gravitacija vienu metu negali aprašyti situacijos.

Kvantinė gravitacija: ką mokslininkai siūlo

Tradicinėje Didžiojo sprogimo kosmologijoje prieš Planko laiką iškyla gravitacinis singuliarumas, bet ši prognozė remiasi vien klasikinės gravitacijos formulėmis. Kadangi Planko epochoje kvantiniai gravitacijos efektai buvo labai stiprūs, reikia kvantinės gravitacijos teorijos, kuri apjungtų kvantinės mechanikos ir gravitacijos principus. Pagrindinės tyrimų kryptys apima:

• Stygų (string) teorija ir M-teorija – siūlo, kad fundamentalūs objektai nėra taškinės dalelės, o virvelės ar membranos; vietoje singularumų gali atsirasti naujos struktūros, papildomos erdvės matmenys gali pakeisti pradinių sąlygų aprašymą.
• Kilpinių kvantinės gravitacijos (loop quantum gravity) modeliai – čia erdvė-laikas įgauna diskrečias savybes (kvantizuotas plotas ir tūris), kas gali užkirsti kelią klasikinėms singuliarumo divergencijoms ir net suteikti „velnio spragtelėjimo“ (bounce) tipo kosminį praeities vaizdą.
• Kitos prieigos, pvz., priežastinė dinaminių trianguliacijų (causal dynamical triangulations), asimptotinės saugumo (asymptotic safety) ar įvairūs hibridiniai modeliai, taip pat nagrinėjami kaip galimi sprendimai.

Visos šios teorijos yra aktyviai tiriamos matematiškai, tačiau joms kol kas trūksta tiesioginių eksperimentinių patvirtinimų.

Ką reiškia „sujungta jėga“ ir kas vyksta vėliau

Planko epochoje tikėtina, kad gravitacija buvo neatskiriama nuo kitų fundamentalių sąveikų — kitaip tariant, visos jėgos galėjo egzistuoti kaip viena suvienyta jėga. Kai Visata išsiplėtė ir atvėso, šis suvienijimas galėjo byrėti etapais: pirmiausia gravitacija atskildavo (pabaiga Planko epochos ir pereinamasis laikotarpis), vėliau galėjo įvykti Didžiojo suvienijimo (Grand Unification) skilimas, kai stiprioji branduolinė jėga atskyrėsi nuo elektrosilpnosios, o galiausiai elektros ir silpnosios jėgos atskyrėsi dar vėliau. Šie etapai vyksta skirtingose energijų skalėse ir laikotarpiuose (GUT skalė žymiai žemesnė už Planko skalę), todėl tikslus scenarijus priklauso nuo to, kuri kvantinės gravitacijos / jungtinės teorijos versija yra teisinga.

Stebėjimai, signalai ir atviros problemos

Planko epocha yra praktiškai nepasiekiama tiesioginiams bandymams: rekonstrukcija remiasi teoriniais modeliais ir netiesioginiais kosmologiniais požymiais. Galimos stebimos pasekmės:

• primordialinės gravitacinės bangos ir jų ženklai Kosminio mikrobangų fono (CMB) B-mode polarizacijoje;
• specifinės pradinės sąlygų netolygybės (non-gaussianities) ar iškraipymai, kuriuos gali palikti tam tikros kvantinės gravitacijos mechanikos;
• astropartikulių aukštos energijos spektro anomalijos ar galimos juodųjų skylių praeities liekanos (spekuliatyvios).

Vis dėlto jokio aiškaus, vienareikšmiško eksperimentinio įrodymo apie Planko epokos fizinius mechanizmus kol kas nėra. Tai lieka viena pagrindinių teorinės fizikos ir kosmologijos atvirų problemų.

Santrauka

Planko epocha žymi ribą, kurioje klasikinė gravitacija ir kvantinė mechanika susiduria — esant Planko mastams Visata buvo tokia karšta ir tanki, kad reikia naujos teorijos (kvantinės gravitacijos), kad būtų galima aprašyti momentus „prieš“ arba „į“ Didįjį sprogimą. Yra daug idėjų (stygų teorija, kilpinė kvantinė gravitacija ir kt.), tačiau nei viena iš jų dar nėra eksperimentaliai patvirtinta. Todėl Planko epocha išlieka teorijų poligonas ir svarbi šiuolaikinės fizikos tyrimų sritis.