Czy stałe fizyczne mogły mieć inne wartości w młodym Wszechświecie?

Hipotezy dotyczące możliwości wahania wartości stałych fizycznych w toku ewolucji Wszechświata są fascynującym tematem, który dotyka fundamentów naszego zrozumienia fizyki i kosmologii. Stałe fizyczne, takie jak prędkość światła (c), stała Plancka (h), stała grawitacji (G), czy stała struktury subtelnej (α), są wartościami, które w klasycznej fizyce uznaje się za niezmienne w czasie i przestrzeni. Jednak niektóre teorie sugerują, że te stałe mogły się zmieniać w miarę ewolucji Wszechświata.

Na podstawie dostępnych informacji można wyróżnić kilka hipotez dotyczących Wielkiego Wybuchu, które próbują wyjaśnić potencjalne zmiany wartości stałych fizycznych. Poniżej omówię kilka kluczowych hipotez i koncepcji dotyczących tej możliwości.

Hipoteza cząstek pierwotnych:

Według tej koncepcji, istnieją hipotetyczne cząstki pierwotne poruszające się z prędkościami większymi niż prędkość światła w płaskiej czasoprzestrzeni. Wielki Wybuch mógł być spowodowany zderzeniem takich cząstek, co doprowadziło do uwolnienia ogromnej ilości energii i ustalenia maksymalnej prędkości transferu energii-masy w naszym Wszechświecie na poziomie c. Ta hipoteza sugeruje, że różne wszechświaty mogą mieć różne wartości stałych fizycznych, w zależności od prędkości granicznej k osiągniętej podczas ich powstania.

Teorie Wielowymiarowe i modele ze zmiennymi stałymi fizycznymi (VPC):

W kontekście teorii strun i teorii Kaluza-Kleina, zakłada się istnienie dodatkowych wymiarów przestrzennych. W takich teoriach stałe fizyczne, które obserwujemy w naszym czterowymiarowym wszechświecie, mogą być skutkiem uśredniania zjawisk zachodzących w wyższych wymiarach. Zatem zmiany w konfiguracji tych dodatkowych wymiarów mogłyby prowadzić do obserwowanych zmian w stałych fizycznych.

Niektórzy naukowcy proponują modele, w których stałe fizyczne, takie jak stała grawitacji G, prędkość światła c czy stała kosmologiczna Λ, są traktowane jako pola skalarne. Modele te próbują wyjaśnić problemy kosmologiczne, takie jak problem litu pierwotnego, poprzez założenie, że wartości stałych fizycznych mogły być inne w czasie Wielkiego Wybuchu niż obecnie.

Hipoteza zmiennej prędkości światła (VSL):

Jedną z bardziej kontrowersyjnych hipotez jest ta, że prędkość światła mogła być inna w początkowych etapach istnienia Wszechświata. Zmienna prędkość światła (Variable Speed of Light, VSL) była proponowana jako alternatywa dla inflacji kosmologicznej, próbując wyjaśnić obserwacje jednorodności i izotropii Wszechświata. Z kolei rozwinięte przez naukowców takich jak Dicke, Petit i Moffatt, teorie zakładają, że prędkość światła mogła być inna w przeszłości.  Niektóre z tych teorii sugerują złamanie niezmienniczości Lorentza i istnienie uprzywilejowanego układu odniesienia. 

Gdyby prędkość światła była wyższa w bardzo wczesnym Wszechświecie, mogłoby to pozwolić na szybsze rozprzestrzenianie się informacji, co prowadziłoby do bardziej jednorodnego Wszechświata.

Modele z wariacją stałej struktury subtelnej:

Stała struktury subtelnej (α) określa siłę oddziaływań elektromagnetycznych. Badania nad odległymi kwazarami i analiza ich widm sugerowały, że α mogła być nieco inna w odległej przeszłości. Stała struktury subtelnej mogła być większa w czasie nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu niż jest obecnie. Jeśli α rzeczywiście się zmienia, mogłoby to mieć znaczący wpływ na produkcję pierwiastków lekkich we wczesnym Wszechświecie, a przede wszystkim w konsekwencji dla naszego zrozumienia fizyki cząstek elementarnych i oddziaływań fundamentalnych.

Teorie z wariacją mas kwarków:

Niektórzy naukowcy badali wpływ zmian mas kwarków na nukleosyntezę Wielkiego Wybuchu[5]. Zmiany te mogłyby wpływać na przekroje czynne reakcji jądrowych, szczególnie w przypadku reakcji rezonansowych lub podprogowych.

Antropiczne Rozważania

Niektóre hipotezy sugerują, że wartości stałych fizycznych są dostrojone w taki sposób, aby umożliwić istnienie życia. W ramach antropicznego podejścia możliwe jest, że istnieje multiversum (wieloświat), w którym różne wszechświaty mają różne wartości stałych fizycznych. Nasz Wszechświat byłby jednym z tych, w którym warunki są odpowiednie do powstania i ewolucji życia.

Dowody Eksperymentalne i Obserwacyjne

Testowanie tych hipotez wymaga precyzyjnych pomiarów w różnych skalach czasowych i przestrzennych. Obserwacje kosmologiczne, takie jak badania mikrofalowego promieniowania tła (CMB), analiza widm odległych kwazarów, a także eksperymenty laboratoryjne na Ziemi, dostarczają danych, które mogą potwierdzić lub obalić te hipotezy. Jak dotąd, większość danych sugeruje, że jeśli zmiany stałych fizycznych miały miejsce, to były one bardzo niewielkie.

Podsumowując, hipotezy dotyczące zmienności stałych fizycznych w czasie są aktywnym polem badawczym, które może prowadzić do głębszego zrozumienia fundamentów fizyki i natury naszego Wszechświata. Warto zauważyć, że chociaż te hipotezy próbują wyjaśnić pewne obserwacje kosmologiczne, większość z nich pozostaje spekulatywna i wymaga dalszych badań oraz dowodów eksperymentalnych. Standardowy model kosmologiczny wciąż zakłada stałość fundamentalnych stałych fizycznych, a ewentualne odchylenia od tej zasady są przedmiotem intensywnych badań i dyskusji w społeczności naukowej.

Źródła:

[1] Fine-tuned universe - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Fine-tuned_universe

[2] [PDF] Cosmology with relativistically varying physical constants - arXiv https://arxiv.org/pdf/2009.08878.pdf

[3] 13.5: The Basic Big Bang Model - Physics LibreTexts https://phys.libretexts.org/Bookshelves/Astronomy__Cosmology/Big_Ideas_in_Cosmology_%28Coble_et_al.%29/13:_The_Expansion_of_the_Universe/13.05:_The_Basic_Big_Bang_Model

[4] Hypothesis of Primary Particles and the Creation of the Big Bang ... https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=96482

[5] Varying physical constants and the lithium problem - ScienceDirect https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927650521000220

[6] Big Bang - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang

[7] Anthropic principle - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Anthropic_principle

[8] (PDF) Varying Constants, Gravitation and Cosmology - ResearchGate https://www.researchgate.net/publication/46587823_Varying_Constants_Gravitation_and_Cosmology

[9] Big bang , physical constants , possibilities https://www.physicsforums.com/threads/big-bang-physical-constants-possibilities.728499/

[10] Hypothesis of Primary Particles and the Creation of the Big Bang ... https://www.researchgate.net/publication/337345138_Hypothesis_of_Primary_Particles_and_the_Creation_of_the_Big_Bang_and_Other_Universes

[11] Variation of fundamental constants from Big Bang to atomic clocks https://pirsa.org/08060046

[12] The Big-Bang Theory: Construction, Evolution and Status - INSPIRE https://inspirehep.net/literature/1471251

[13] The Universe Could Be Twice As Old if Light is Tired and Physical ... https://www.universetoday.com/162394/the-universe-could-be-twice-as-old-if-light-is-tired-and-physical-constants-change/

[14] How do we know the fundamental constants are constant? We don't. https://www.space.com/are-fundamental-constants-of-universe-constant

[15] Big Bang Cosmology - an overview | ScienceDirect Topics https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/big-bang-cosmology

[16] What is the Big Bang Theory? - Phys.org https://phys.org/news/2015-12-big-theory.html

[17] Cosmological constant - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant

[18] The Big Bang model of the Universe. https://astronomy.swin.edu.au/~gmackie/BigBang/universe.htm

[19] Big Bang Was Actually a Phase Change, New Theory Says https://www.space.com/17217-big-bang-phase-change-theory.html

[20] Varying Constants, Gravitation and Cosmology - SpringerLink https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2011-2