Циклдік модель (немесе осцилляциялық модель) – ғалам шексіз немесе белгісіз, өзін-өзі сақтайтын циклдардан өтетін бірнеше космологиялық модельдердің кез келгені. Мысалы, Альберт Эйнштейн 1930 жылы қысқаша қарастырған осцилляциялық ғалам теориясы, ғаламның мәңгілік осцилляциялар тізбегінен тұратынын болжады, әрқайсысы Үлкен жарылыспен басталып, Үлкен қысылумен аяқталады; аралықта ғалам, материяның гравитациялық тартылысы оны кері құлауға және серпілуге мәжбүр ететінге дейін, белгілі бір уақыт бойы кеңейеді.
A cyclic model (or oscillating model) is any of several cosmological models in which the universe follows infinite, or indefinite, self sustaining cycles. For example, the oscillating universe theory briefly considered by Albert Einstein in 1930 theorized a universe following an eternal series of oscillations, each beginning with a Big Bang and ending with a Big Crunch; in the interim, the universe would expand for a period of time before the gravitational attraction of matter causes it to collapse back in and undergo a bounce.
Шолу
1920 жылдары теориялық физиктер, әсіресе Альберт Эйнштейн, ғаламның циклдік моделінің мүмкіндігін, кеңейіп жатқан ғалам моделіне (мәңгілік) балама ретінде қарастырды. 1922 жылы Александр Фридманн осцилляциялық ғалам теориясын ұсынды. Алайда, 1934 жылы Ричард К. Толманның жұмысы осы алғашқы әрекеттердің циклдік проблеманың салдарынан сәтсіз болғанын көрсетті: Термодинамиканың екінші заңы бойынша энтропия тек өсе алады. Бұл, кезекті циклдардың ұзақтығы мен көлемінің артатынын білдіреді. Уақытқа кері қарай есептегенде, қазіргі циклға дейінгі циклдар қысқарады және кішірейеді, содан кейін Үлкен жарылыста аяқталады, бірақ оны алмастырмайды. Бұл қызықты жағдай көптеген онжылдықтар бойы, 21-ші ғасырдың басына дейін шешілмей келді, содан кейін жақында ашылған қараңғы энергия компоненті жүйелі циклдық космологияға жаңа үміт сыйлады. 2011 жылы 200 000 галактиканы бес жыл бойы зерттеу, 7 миллиард жылдық уақыт аралығында "қара энергия ғаламды үдемелі жылдамдықпен бөліп жатыр" дегенді растады. Жаңа циклдік модельдердің бірі – бұрынғы экпиротикалық модельден туындаған ғаламның жаратылуының браналық космологиялық моделі. Оны 2001 жылы Принстон университетінің профессоры Пол Стейнхардт пен Кембридж университетінің профессоры Нил Турок ұсынды. Теорияда ғалам бір рет емес, уақыт өте келе қайталап жарылып пайда болады делінеді. Теория, ғаламның кеңеюін үдетіп отырған космологиялық тұрақты деп аталатын энергияның кері күш түрінің, Стандартты Үлкен жарылыс моделі болжағаннан неге бірнеше есе кіші екенін түсіндіруге мүмкіндік береді. 2007 жылы Лаурис Баум мен Пол Фрэмптон Солтүстік Каролина университетінің Чапел-Хилл қаласындағы фантомдық энергияға негізделген басқа циклдік модель ұсынды. Басқа циклдік модельдерге конформдық циклдық космология және кванттық циклдық космология жатады.
In the 1920s, theoretical physicists, most notably Albert Einstein, considered the possibility of a cyclic model for the universe as an (everlasting) alternative to the model of an expanding universe. In 1922, Alexander Friedmann introduced the Oscillating Universe Theory. However, work by Richard C. Tolman in 1934 showed that these early attempts failed because of the cyclic problem: according to the Second Law of Thermodynamics, entropy can only increase. This implies that successive cycles grow longer and larger. Extrapolating back in time, cycles before the present one become shorter and smaller culminating again in a Big Bang and thus not replacing it. This puzzling situation remained for many decades until the early 21st century when the recently discovered dark energy component provided new hope for a consistent cyclic cosmology. In 2011, a five year survey of 200,000 galaxies and spanning 7 billion years of cosmic time confirmed that "dark energy is driving our universe apart at accelerating speeds." One new cyclic model is the brane cosmology model of the creation of the universe, derived from the earlier ekpyrotic model. It was proposed in 2001 by Paul Steinhardt of Princeton University and Neil Turok of Cambridge University. The theory describes a universe exploding into existence not just once, but repeatedly over time. The theory could potentially explain why a repulsive form of energy known as the cosmological constant, which is accelerating the expansion of the universe, is several orders of magnitude smaller than predicted by the standard Big Bang model. A different cyclic model relying on the notion of phantom energy was proposed in 2007 by Lauris Baum and Paul Frampton of the University of North Carolina at Chapel Hill. Other cyclic models include conformal cyclic cosmology and loop quantum cosmology.
Штайнхардт-Тюрок моделі
Бұл циклдік модельде екі параллель орбиталық жазықтық немесе М-браналар жоғары өлшемді кеңістікте мерзімімен соқтығысады. Көрінетін төрт өлшемді әлем осы брандардың бірінде орналасқан. Соқтығысулар тартылудан кеңеюге өтуге сәйкес келеді, яғни Ұлы құлаудан кейін бірден Ұлы жарылыс болады. Бүгін көріп отырған материя мен сәуле соңғы соқтығысу кезінде, брандар пайда болғанға дейін туған кванттық құбылыстардың нәтижесінде пайда болды. Миллиардтаған жылдар өткен соң әлем біз қазір көріп отырған күйге жетті; тағы да миллиардтаған жылдардан кейін ол қайтадан жиырыла бастайды. Қара энергия брандар арасындағы күшке сәйкес келеді және монополь, горизонт және жазықтық проблемаларын шешуде маңызды рөл атқарады. Бұған қоса, циклдар өткенге және болашаққа дейін шексіз жалғаса береді, ал шешім тартымды, сондықтан ол әлемнің толық тарихын беруге мүмкіндік береді. Ричард Толман көрскендей, бұрынғы циклдік модель сәтсіз аяқталды, себебі әлем сөзсіз термодинамикалық жылу өліміне ұшырайтын еді.
In this cyclic model, two parallel orbifold planes or M branes collide periodically in a higher dimensional space. The visible four dimensional universe lies on one of these branes. The collisions correspond to a reversal from contraction to expansion, or a Big Crunch followed immediately by a Big Bang. The matter and radiation we see today were generated during the most recent collision in a pattern dictated by quantum fluctuations created before the branes. After billions of years the universe reached the state we observe today; after additional billions of years it will ultimately begin to contract again. Dark energy corresponds to a force between the branes, and serves the crucial role of solving the monopole, horizon, and flatness problems. Moreover, the cycles can continue indefinitely into the past and the future, and the solution is an attractor, so it can provide a complete history of the universe. As Richard C. Tolman showed, the earlier cyclic model failed because the universe would undergo inevitable thermodynamic heat death.
Баум-Фрэмптон моделі
2007 жылғы циклдік модельде фантомдық энергия деп аталатын қара энергияның экзотикалық түрі қарастырылады, ол теріс кинетикалық энергияға ие және әдетте ғаламның Үлкен Жыртылумен (Big Rip) аяқталуына себеп болар еді. Бұл жағдай ғаламда қара энергия басым болғанда, энергия тығыздығы ρ және қысым p үшін космологиялық күй параметрінің теңдеуі шартын қанағаттандыру арқылы қол жеткізіледі. Керісінше, Штайнхардт-Турок болжамын алсақ, Баум-Фрэмптон моделінде Ұлы Жыртылуға (Big Rip) бір септиллиондық (немесе одан да аз) секунд (яғни 10−24 секунд немесе одан аз) қалғанда, қайта бұрылыс орын алып, біздің ғалам ретінде тек бір себептік аймақ сақталады. Бұл аймақта кварк, лептон немесе күш тасымалдаушы бөлшектер жоқ; тек қара энергия ғана бар – және оның энтропиясы сол арқылы жоғалады. Бұл әлдеқайда кіші ғаламның ығысу процесі тұрақты, нөлге жуық энтропиямен және бұрылысқа дейін ыдыраған қара тесіктерді қоса алғанда, ешқандай материясыз жүзеге асады. Ғалам "бос күйімен оралып келеді" деген идея осы циклдік модельдің басты жаңа идеясы болып табылады және материяның қысқару фазасында кездесетін шамадан тыс құрылымның қалыптасуы, қара тесіктердің көбеюі мен кеңеюі сияқты көптеген қиындықтардан, сондай-ақ QCD және электроәлсіз симметрияны қалпына келтіру сияқты фазалық өтулерден сақтануға мүмкіндік береді. Олардың кез келгені термодинамиканың екінші заңының бұзылуын болдырмау үшін ертерек секіруге алып келуі мүмкін. шегінің жағдайы шын мәнінде шексіз циклдік космологияда энтропия мәселесіне байланысты логикалық тұрғыдан қажет болуы мүмкін. Дегенмен, тәсілдің дұрыстығын растау үшін көптеген техникалық қосымша есептеулер қажет. Модель сап теориясынан идеялар алғанымен, ол міндетті түрде саптарға немесе жоғары өлшемдерге байланысты емес, бірақ мұндай болжамды құрылғылар ішкі дәйектілікті зерттеудің ең тиімді әдістерін ұсынуы мүмкін. Баум-Фрэмптон моделіндегі мәні −1-ге кез келген жақын мәнге ие болуы мүмкін, бірақ одан кіші болуы керек.
This more recent cyclic model of 2007 assumes an exotic form of dark energy called phantom energy, which possesses negative kinetic energy and would usually cause the universe to end in a Big Rip. This condition is achieved if the universe is dominated by dark energy with a cosmological equation of state parameter satisfying the condition , for energy density and pressure p. By contrast, Steinhardt–Turok assume In the Baum–Frampton model, a septillionth (or less) of a second (i. e. 10−24 seconds or less) before the would be Big Rip, a turnaround occurs and only one causal patch is retained as our universe. The generic patch contains no quark, lepton or force carrier; only dark energy – and its entropy thereby vanishes. The adiabatic process of contraction of this much smaller universe takes place with constant vanishing entropy and with no matter including no black holes which disintegrated before turnaround. The idea that the universe "comes back empty" is a central new idea of this cyclic model, and avoids many difficulties confronting matter in a contracting phase such as excessive structure formation, proliferation and expansion of black holes, as well as going through phase transitions such as those of QCD and electroweak symmetry restoration. Any of these would tend strongly to produce an unwanted premature bounce, simply to avoid violation of the second law of thermodynamics. The condition of may be logically inevitable in a truly infinitely cyclic cosmology because of the entropy problem. Nevertheless, many technical back up calculations are necessary to confirm consistency of the approach. Although the model borrows ideas from string theory, it is not necessarily committed to strings, or to higher dimensions, yet such speculative devices may provide the most expeditious methods to investigate the internal consistency. The value of in the Baum–Frampton model can be made arbitrarily close to, but must be less than, −1.
Басқа циклдік модельдер
Конформальды циклдік космология – Роджер Пенроуздың жалпы салыстырмалылық теориясына негізделген теориясы, онда ғаламдағы барлық материя ыдырап, жарыққа айналғанға дейін кеңейеді, нәтижесінде ғаламда уақыт немесе қашықтық өлшемдерімен байланысты ештеңе қалмайды. Бұл оған Үлкен Жарылыспен (Big Bang) сәйкес келуге және келесі циклді бастауға мүмкіндік береді. Шеңбер кванттық космологиясы, кеңейіп жатқан және жиырылып жатқан космологиялық кезеңдер арасындағы «кванттық көпір» болатынын болжайды.
Conformal cyclic cosmology—a general relativity based theory by Roger Penrose in which the universe expands until all the matter decays and is turned to light—so there is nothing in the universe that has any time or distance scale associated with it. This permits it to become identical with the Big Bang, so starting the next cycle. Loop quantum cosmology which predicts a "quantum bridge" between contracting and expanding cosmological branches.