Για έξι μήνες κάθε χρόνο, οι αιώνια σκοτεινές και ανεμοδαρμένες πεδιάδες του νότιου πολικού καλύμματος πάγου έχουν μέση θερμοκρασία περίπου 58 βαθμών Φαρενάιτ κάτω από το μηδέν. Το καλοκαίρι, όταν ο ήλιος επιστρέφει για την εξάμηνη μέρα, το παγετώδες έδαφος γίνεται σχεδόν πιό φιλόξενο, με θερμοκρασίες να ανεβαίνουν στους -20 βαθμούς. Δεν είναι το είδος της θέσης που οι περισσότεροι από εμάς θα επιλέξουν να επισκεφθούν.
σχετικό περιεχόμενο
- Παρακολουθήστε το Σύμπαν εξελίσσεται πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια
- Το Μεγάλο "Βαρυτικό κύμα" Η εύρεση μπορεί να έχει πραγματικά μόνο κάποια σκόνη
- Η Επιστήμη του Μεγάλου "Βαρυτικού Κυματισμού" του Δευτέρου Πράγματος εξήγησε σε δύο λεπτά
- Μια νέα κοσμική ανακάλυψη θα μπορούσε να είναι η πλησιέστερη Έχουμε έρθει στην αρχή του χρόνου
Αλλά αν είστε αστρονόμος που αναζητά μια συλλογή από φωτόνια που έρχονται προς το μέρος μας αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τότε το Εργαστήριο Σκοτεινού Τομέα του Νότιου Πόλου είναι αυτό που πρόκειται να κάνει η Όπερα ή το Γιάνκι Στάδιο με το μπέιζμπολ. Είναι το κορυφαίο μέρος για να ασκείστε το εμπόριο σας. Με τον ψυχρότερο και πιο ξηρό αέρα στη γη, η ατμόσφαιρα αφήνει τα φωτόνια να ταξιδεύουν σχεδόν ανεμπόδιστα, παρέχοντας τις αιχμηρότερες χερσαίες εικόνες χώρου που έχουν ληφθεί ποτέ.
Για τρία χρόνια, μια ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής τον ερευνητή του Harvard-Smithsonian, John Kovac, διέψευσε τα στοιχεία για να δείξει ένα αδύναμο τηλεσκόπιο γνωστό ως Bicep2 (ένα ακρωνύμιο για την λιγότερο ευφημιστική απεικόνιση φόντου της κοσμικής εξωγαλακτικής πόλωσης) σε ένα κομμάτι του νότιου ουρανού. Τον Μάρτιο, η ομάδα κυκλοφόρησε τα αποτελέσματά της. Σε περίπτωση που τα συμπεράσματα τεθούν, θα ανοίξουν ένα εντυπωσιακό νέο παράθυρο στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, και αξίζει να κατατάσσονται μεταξύ των σημαντικότερων κοσμολογικών ευρημάτων του περασμένου αιώνα.
Είναι μια ιστορία των οποίων οι ρίζες μπορούν να ανιχνευθούν πίσω στις πρώιμες ιστορίες δημιουργίας που προορίζονται να ικανοποιήσουν την πρωταρχική επιθυμία να κατανοήσουν την προέλευσή μας. Αλλά θα αναλάβω την αφήγηση αργότερα-με την ανακάλυψη του Albert Einstein της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, της μαθηματικής βάσης του χώρου, του χρόνου και της σύγχρονης κοσμολογικής σκέψης.
Το εστιακό επίπεδο του τηλεσκοπίου Bicep2, που παρουσιάζεται υπό μικροσκόπιο, αναπτύχθηκε από το εργαστήριο Jet Propulsion της NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Τα κύματα βαρύτητας που τεντώνονται από τον πληθωρισμό δημιουργούν ένα αχνό αλλά διακριτικό μοτίβο, το οποίο ονομάζεται σήμα B-mode, το οποίο συλλαμβάνεται από το Bicep2. (BICEP2) 
Κατά τη διάρκεια του φουσκώματος (που εμφανίζεται στα αριστερά), μια βαρυτική δύναμη ωθείται προς τα έξω, τεντώνοντας το σύμπαν σε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου. (WMAP) Το τηλεσκόπιο Bicep2, που παρουσιάστηκε στο λυκόφως, πέτυχε την πρώτη ανίχνευση ενός προβλεπόμενου βαρυτικού κύματος, ανακοίνωσε η ομάδα του. (Steffen Richter / Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ) Κατεστραμμένο διάστημα στο Big Bang
Στα πρώτα χρόνια του 20ού αιώνα ο Αϊνστάιν ξανάγραψε τους κανόνες του χώρου και του χρόνου με την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Μέχρι τότε, οι περισσότεροι όλοι συνέδεαν τη Νευτώνεια προοπτική - την διαισθητική προοπτική - στην οποία ο χώρος και ο χρόνος παρέχουν μια αμετάβλητη αρένα όπου συμβαίνουν τα γεγονότα. Αλλά όπως το περιέγραψε ο Αϊνστάιν, την άνοιξη του 1905, μια θύελλα έσπασε χαλαρά στο μυαλό του, μια καταρρακτώμενη πτώση της μαθηματικής γνώσης που σάρωσε την παγκόσμια αρένα του Νεύτωνα. Ο Αϊνστάιν ισχυρίστηκε πειστικά ότι δεν υπάρχουν καθολικά χρονικά ρολά σε κίνηση κτυπούν πιο αργά -και δεν υπάρχουν καθολικοί κυβερνητικοί χώροι-οι κυβερνήτες που βρίσκονται σε κίνηση είναι μικρότεροι. Η απόλυτη και αμετάβλητη αρένα έδωσε τη θέση της σε ένα χώρο και χρόνο που ήταν εύπλαστο και εύκαμπτο.
Φωτίζοντας αυτή την επιτυχία, ο Αϊνστάιν στράφηκε στη συνέχεια σε μια ακόμη πιο απότομη πρόκληση. Για πάνω από δύο αιώνες, ο παγκόσμιος νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα είχε κάνει μια εντυπωσιακή δουλειά στην πρόβλεψη της κίνησης των πάντων από τους πλανήτες στους κομήτες. Ακόμα κι έτσι, υπήρξε ένα παζλ που ο ίδιος ο Νεύτωνας αρθρώθηκε: Πώς ασκεί η βαρύτητα την επιρροή του; Πώς επηρεάζει ο Ήλιος τη Γη κατά μήκος περίπου 93 εκατομμυρίων μιλίων από ουσιαστικά κενό χώρο; Ο Νεύτωνας είχε δώσει ένα εγχειρίδιο του ιδιοκτήτη, επιτρέποντας στον μαθηματικά έμπειρο να υπολογίσει την επίδραση της βαρύτητας, αλλά δεν ήταν σε θέση να ανοίξει την κουκούλα και να αποκαλύψει πως η βαρύτητα κάνει αυτό που κάνει.
Αναζητώντας την απάντηση, ο Αϊνστάιν ασχολήθηκε με μια δεκαετή εμμονή, εξαντλητική οδύσσεια μέσα από αστεία μαθηματικά και δημιουργικές πτήσεις φυσικής φαντασίας. Μέχρι το 1915, η μεγαλοφυΐα του φλεγμονώθηκε μέσα από τις τελικές εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, αποκαλύπτοντας τελικά τον μηχανισμό που υποκίνησε τη δύναμη της βαρύτητας.
Η απάντηση? Χώρος και χρόνος. Ήδη από το Νευτώνιο υπόβαθρο τους, με ξεχωριστή σχετικότητα, ο χώρος και ο χρόνος ξεπέρασαν πλήρως τη ζωή στη γενική σχετικότητα. Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι όσο ένα στρεβλό ξύλινο πάτωμα μπορεί να ωθήσει ένα κυλιόμενο μάρμαρο, ο χώρος και ο χρόνος μπορούν να παραμορφωθούν και να ωθήσουν τα χερσαία και τα ουράνια σώματα να ακολουθήσουν τις τροχιές που αποδίδονται μακρά στην επίδραση της βαρύτητας.
Όσο αφηρημένη η διατύπωση, η γενική σχετικότητα έκαναν οριστικές προβλέψεις, μερικές από τις οποίες επιβεβαιώθηκαν γρήγορα μέσω αστρονομικών παρατηρήσεων. Αυτός ο εμπνευσμένος μαθηματικά προσανατολισμένος στοχαστής σε όλο τον κόσμο για να διερευνήσει τις λεπτομερείς επιπτώσεις της θεωρίας. Ήταν έργο ενός Βέλγου ιερέα, του Georges Lemaître, ο οποίος επίσης κατείχε διδακτορικό στη φυσική, που προχώρησε στην ιστορία που ακολουθούμε. Το 1927, ο Lemaître εφάρμοσε τις εξισώσεις γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν όχι σε αντικείμενα μέσα στο σύμπαν, όπως τα αστέρια και τις μαύρες τρύπες, αλλά στο ίδιο το ίδιο το σύμπαν. Το αποτέλεσμα χτύπησε τον Lemaître πίσω στα τακούνια του. Τα μαθηματικά έδειξαν ότι το σύμπαν δεν μπορούσε να είναι στατικό: Το ύφασμα του χώρου ήταν είτε τεντωμένο είτε συρρικνωτικό, πράγμα που σήμαινε ότι το σύμπαν είτε αυξανόταν σε μέγεθος είτε συρρικνούσε.
Όταν ο Λέμετρε προειδοποίησε τον Αϊνστάιν σε ό, τι βρήκε, ο Αϊνστάιν κοκκίνισε. Σκέφτηκε ότι ο Lemaître έσπρωξε πολύ καλά το μαθηματικό. Ο Αϊνστάιν ήταν βέβαιος ότι το σύμπαν, ως σύνολο, ήταν αιώνιο και αμετάβλητο, ότι όχι μόνο απέρριψε τις μαθηματικές αναλύσεις που έδειξε το αντίθετο, εισήγαγε μια μέτρια τροποποίηση στις εξισώσεις του για να εξασφαλίσει ότι τα μαθηματικά θα ικανοποιούσαν τις προκαταλήψεις του.
Και η προκατάληψη ήταν. Το 1929, οι αστρονομικές παρατηρήσεις του Edwin Hubble, χρησιμοποιώντας το ισχυρό τηλεσκόπιο στο Observatory του Mount Wilson, αποκάλυψαν ότι οι μακρινοί γαλαξίες είναι όλοι βιαστικοί. Το σύμπαν επεκτείνεται. Ο Αϊνστάιν έδωσε στον εαυτό του ένα ευφημιστικό χαστούκι στο μέτωπο, μια επίπληξη για μη εμπιστοσύνη τα αποτελέσματα που προέρχονται από τις εξισώσεις του, και έφερε τη σκέψη του - και τις εξισώσεις του - με τα δεδομένα.
Μεγάλη πρόοδος, βέβαια. Αλλά νέες ιδέες παράγουν νέα παζλ.
Όπως είχε επισημάνει ο Lemaître, αν ο χώρος τώρα επεκτείνεται, τότε με την εκκαθάριση της κοσμικής ταινίας αντιστρόφως καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ο παρατηρούμενος κόσμος ήταν όλο και μικρότερος, πυκνότερος και θερμότερος και πάλι πίσω στο χρόνο. Το φαινομενικά αναπόφευκτο συμπέρασμα είναι ότι το σύμπαν που βλέπουμε προέκυψε από ένα φαινομενικά μικροσκοπικό σημείο που ξέσπασε, στέλνοντας χώρο προς τα έξω - αυτό που αποκαλούμε τώρα το Big Bang.
Αλλά αν αλήθεια, τι έστειλε χώρο πρήξιμο; Και πώς θα μπορούσε να εξεταστεί μια τέτοια περίεργη πρόταση;
Η Θεωρία Πληθωρισμού
Εάν το σύμπαν βγήκε από ένα ζωντανό ζεστό και έντονα πυκνό αρχέγονιο άτομο, όπως το ονόμασε ο Lemaître, τότε καθώς ο χώρος είχε διογκωθεί, το σύμπαν θα έπρεπε να είχε κρυώσει. Οι υπολογισμοί που πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο George Washington στη δεκαετία του 1940 και αργότερα στο Princeton στη δεκαετία του 1960, έδειξαν ότι η υπολειμματική θερμότητα του Big Bang θα εκδηλωθεί ως λουτρό φωτονίων (σωματιδίων φωτός) που γεμίζουν ομοιόμορφα το διάστημα. Η θερμοκρασία των φωτονίων θα έπεφτε τώρα σε μόλις 2, 7 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, τοποθετώντας το μήκος κύματος τους στο τμήμα μικροκυμάτων του φάσματος - εξηγώντας γιατί αυτό το πιθανό λείψανο της Μεγάλης Έκρηξης ονομάζεται κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου.
Το 1964, δύο επιστήμονες της Bell Labs, Arno Penzias και Robert Wilson, βρίσκονταν στην άκρη, απογοητευμένοι από μια μεγάλη κεραία εδάφους σχεδιασμένη για δορυφορικές επικοινωνίες. Ανεξάρτητα από το πού έδειξαν την κεραία, συναντήθηκαν με τον εφιάλτη του ομιλητή: ένα ατέρμονο φόντο. Για μήνες ζήτησαν, αλλά απέτυχαν να βρουν την πηγή. Στη συνέχεια, οι Penzias και Wilson συνέλαβαν τον άνεμο από τους κοσμολογικούς υπολογισμούς που έγιναν στο Princeton υποδηλώνοντας ότι πρέπει να υπάρχει ένας χώρος γεμίσματος ακτινοβολίας χαμηλού επιπέδου. Η αδιάκοπη φρεσκάδα, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν, προήλθε από τα φωτόνια του Big Bang που χτυπούσαν τον δέκτη της κεραίας. Η ανακάλυψη κέρδισε τον Penzias και τον Wilson το βραβείο Νόμπελ του 1978.
Η εξέγερση της θεωρίας του Big Bang ανέβηκε στα ύψη, ωθώντας τους επιστήμονες να ξεπεράσουν τη θεωρία, αναζητώντας απρόσμενες συνέπειες και πιθανές αδυναμίες. Πολλά σημαντικά ζητήματα ήρθαν στο φως, αλλά το πιο σημαντικό ήταν επίσης το πιο σημαντικό
βασικός.
Η Μεγάλη Έκρηξη περιγράφεται συχνά ως η σύγχρονη επιστημονική θεωρία της δημιουργίας, η μαθηματική απάντηση στη Γένεση. Αλλά αυτή η έννοια αποκρύπτει μια ουσιώδη πλάνη: Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης δεν μας λέει πώς ξεκίνησε το σύμπαν. Μας λέει πώς εξελίχθηκε το σύμπαν, ξεκινώντας ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου μετά από όλα ξεκίνησε. Καθώς η επαναλαμβανόμενη κοσμική μεμβράνη προσεγγίζει το πρώτο πλαίσιο, τα μαθηματικά σπάνε, κλείνοντας τον φακό ακριβώς όπως το γεγονός δημιουργίας πρόκειται να γεμίσει την οθόνη. Και λοιπόν, όταν πρόκειται να εξηγήσουμε την ίδια την έκρηξη - την αρχέγονη ώθηση που πρέπει να έχει θέσει το σύμπαν εν τω μεταξύ στην επεκτατική πορεία της - η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι σιωπηρή.
Θα έπεφτε σε έναν νέο μεταδιδακτορικό απόφοιτο στο τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, τον Alan Guth, να κάνει το ζωτικό βήμα προς την κάλυψη αυτού του κενού. Ο Guth και ο συνεργάτης του Henry Tye του Πανεπιστημίου Cornell προσπαθούσαν να καταλάβουν πώς ορισμένα υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται μονόπολα μπορεί να παράγονται στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Αλλά υπολογίζοντας βαθιά μέσα στη νύχτα της 6ης Δεκεμβρίου 1979, ο Guth πήρε το έργο σε μια διαφορετική κατεύθυνση. Συνειδητοποίησε ότι όχι μόνο οι εξισώσεις έδειξαν ότι η γενική σχετικότητα συνδέθηκε με ένα κενό στο μηχανισμό βαρύτητας του Νευτώνιου βαρύτητος - αποκάλυψαν επίσης ότι η βαρύτητα μπορεί να συμπεριφερθεί με απροσδόκητους τρόπους. Σύμφωνα με τον Newton (και την καθημερινή εμπειρία) η βαρύτητα είναι μια ελκυστική δύναμη που τραβάει ένα αντικείμενο προς το άλλο. Οι εξισώσεις δείχνουν ότι στη διατύπωση του Αϊνστάιν, η βαρύτητα θα μπορούσε επίσης να είναι απωθητική.
Η βαρύτητα γνωστών αντικειμένων, όπως ο Ήλιος, η Γη και η Σελήνη, είναι σίγουρα ελκυστική. Αλλά τα μαθηματικά έδειξαν ότι μια διαφορετική πηγή, όχι μια συσσώρευση ύλης, αλλά αντ 'αυτού ενέργεια ενσωματωμένη σε ένα πεδίο που γεμίζει ομοιόμορφα μια περιοχή, θα δημιουργούσε μια βαρυτική δύναμη που θα ωθούσε προς τα έξω. Και άγρια. Μία περιοχή μόλις ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυρίου ενός δισεκατομμυρίου εκατοστών σε πλάτος, γεμάτη με το κατάλληλο ενεργειακό πεδίο - που ονομάζεται πεδίο του πληθωρικού - θα διαχωριζόταν από την ισχυρή απωστική βαρύτητα, ενδεχομένως να εκτείνεται μέχρι το μέγεθος του παρατηρούμενου σύμπαντος σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.
Και αυτό δικαίως θα ονομαζόταν "κτύπημα". Ένα μεγάλο κτύπημα.
Με τις επακόλουθες βελτιώσεις στην αρχική εφαρμογή του Guth από την απωστική βαρύτητα από επιστήμονες όπως οι Andrei Linde, Paul Steinhardt και Andreas Albrecht, γεννήθηκε η πληθωριστική θεωρία της κοσμολογίας. Μια αξιόπιστη πρόταση για αυτό που πυροδότησε το εξωτερικό πρήξιμο του χώρου ήταν τελικά στο τραπέζι των θεωρητικών. Αλλά είναι σωστό;
Έλεγχος του πληθωρισμού
Αρχικά, θα μπορούσε να φανεί η αποστολή ενός ανόητου να επιδιώξει την επιβεβαίωση μιας θεωρίας που φαινόταν να λειτουργούσε για ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Σίγουρα, το σύμπαν τώρα επεκτείνεται, οπότε κάτι το έθεσε να πηγαίνει στην πρώτη θέση. Είναι όμως πιθανό να επιβεβαιωθεί ότι προκάλεσε μια ισχυρή αλλά σύντομη αναταραχή της αρνητικής βαρύτητας;
Είναι. Και η προσέγγιση χρησιμοποιεί για μια ακόμη φορά την ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων.
Για να πάρετε μια αίσθηση για το πώς, φανταστείτε γράφοντας ένα μικροσκοπικό μήνυμα, πολύ μικρό για να διαβάσει κανείς, στην επιφάνεια ενός απολιθωμένου μπαλονιού. Στη συνέχεια, φυσήξτε το μπαλόνι προς τα πάνω. Καθώς απλώνεται, το μήνυμά σας απλώνεται και γίνεται ορατό. Ομοίως, εάν ο χώρος βίωσε δραματική πληθωριστική τέντωμα, τότε τα μικροσκοπικά φυσικά αποτυπώματα που είχαν βρεθεί κατά τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος θα τεντώνονταν στον ουρανό, ενδεχομένως και να είναι ορατά.
Υπάρχει μια διαδικασία που θα είχε αποτυπώσει ένα μικρό μήνυμα στο πρώιμο σύμπαν; Η κβαντική φυσική απαντά με ένα ηχηρό ναι. Εξαρτάται από την αρχή της αβεβαιότητας που προωθήθηκε από τον Werner Heisenberg το 1927. Ο Heisenberg έδειξε ότι ο μικρός κόσμος υπόκειται σε αναπόφευκτα «κβαντικά jitters» που καθιστούν αδύνατο να προσδιοριστούν ταυτόχρονα ορισμένα χαρακτηριστικά, όπως η θέση και η ταχύτητα ενός σωματιδίου. Για πεδία που πλήττουν χώρο, η αρχή της αβεβαιότητας δείχνει ότι η ισχύς ενός πεδίου υπόκειται επίσης σε κβαντικά jitters, προκαλώντας την αξία του σε κάθε θέση να ανακατευτεί προς τα πάνω και προς τα κάτω.
Δεκαετίες πειραμάτων στον μικροκείμενο επιβεβαίωσαν ότι τα κβαντικά jitters είναι πραγματικά και πανταχού παρόντα. δεν είναι εξοικειωμένοι παρά μόνο επειδή οι διακυμάνσεις είναι πολύ μικροσκοπικές για να παρατηρηθούν άμεσα στην καθημερινή ζωή. Σε ποιο σημείο το πληθωριστικό τέντωμα του διαστήματος έρχεται στο δικό του.
Όπως και με το μήνυμά σας στο επεκτεινόμενο μπαλόνι, εάν το σύμπαν υπέστη την εκπληκτική επέκταση που προτάθηκε από την πληθωριστική θεωρία, τότε τα μικροσκοπικά κβαντικά jitters στον τομέα των φουστών - θυμηθείτε, αυτό είναι το πεδίο υπεύθυνο για την απωστική βαρύτητα - θα τεντώνονταν στον macroworld. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα η ενέργεια του τομέα να είναι μια πινελιά μεγαλύτερη σε κάποιες θέσεις και μια πινελιά μικρότερη σε άλλες.
Με τη σειρά τους, αυτές οι αποκλίσεις στην ενέργεια θα έχουν αντίκτυπο στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, ωθώντας τη θερμοκρασία ελαφρώς υψηλότερη σε ορισμένες θέσεις και ελαφρώς χαμηλότερη σε άλλες. Οι μαθηματικοί υπολογισμοί αποκαλύπτουν ότι οι μεταβολές της θερμοκρασίας θα ήταν μικρές - περίπου 1 μέρος σε 100.000. Αλλά -και αυτό είναι το κλειδί-οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας θα συμπληρώσουν ένα συγκεκριμένο στατιστικό μοτίβο στον ουρανό.
Αρχίζοντας τη δεκαετία του 1990, μια σειρά από ολοένα και πιο εκλεπτυσμένες παρατηρησιακές επιχειρήσεις - τηλεσκόπια με βάση το έδαφος, το μπαλόνι και το διάστημα - έχουν αναζητήσει αυτές τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Και τα βρήκε. Πράγματι, υπάρχει συναρπαστική συμφωνία μεταξύ των θεωρητικών προβλέψεων και των παρατηρητικών δεδομένων.
Και με αυτό, ίσως να πιστεύετε ότι η πληθωριστική προσέγγιση είχε επιβεβαιωθεί. Αλλά ως κοινότητα, οι φυσικοί είναι σχεδόν σκεπτικιστές μιας ομάδας που θα συναντήσετε ποτέ. Με την πάροδο των ετών, ορισμένες εναλλακτικές εξηγήσεις των δεδομένων προτείνονται, ενώ άλλες έθεταν διάφορες τεχνικές προκλήσεις στην ίδια την πληθωριστική προσέγγιση. Ο πληθωρισμός παρέμεινε μακριά και μακριά την κορυφαία κοσμολογική θεωρία, αλλά πολλοί ένιωσαν ότι το όπλο καπνίσματος δεν είχε βρεθεί ακόμη.
Μέχρι τώρα.
Βόλτες στο ύφασμα του χώρου
Ακριβώς όπως τα πεδία στο διάστημα υπόκεινται σε κβαντικά jitters, η κβαντική αβεβαιότητα εξασφαλίζει ότι ο ίδιος ο χώρος θα πρέπει να υποβληθεί σε κβαντικά jitters πάρα πολύ. Αυτό σημαίνει ότι ο χώρος πρέπει να κυματίζει σαν την επιφάνεια ενός δοχείου βρασμού νερού. Αυτό δεν είναι γνωστό για τον ίδιο λόγο που ένας επιτραπέζιος γρανίτης φαίνεται ομαλός αν και η επιφάνεια του είναι γεμάτη με μικροσκοπικές ατέλειες - οι κυματισμοί συμβαίνουν σε εξαιρετικά μικροσκοπικές κλίμακες. Αλλά, και πάλι, επειδή η πληθωριστική επέκταση επεκτείνει τα κβαντικά χαρακτηριστικά στο μακροκράτημα, η θεωρία προβλέπει ότι οι μικροσκοπικές κυματισμοί βλασταίνουν σε πολύ μεγαλύτερες κυματισμούς στον χωρικό ιστό. Πώς θα μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε αυτές τις κυματισμούς, ή αρχικά βαρυτικά κύματα, όπως καλούνται καλύτερα; Για τρίτη φορά, το πανταχού παρόν λείψανο του Big Bang, η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία, είναι το εισιτήριο.
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι τα κύματα βαρύτητας θα αποτυπώσουν ένα μοτίβο στρέψης στην ακτινοβολία υποβάθρου, ένα εικονικό δακτυλικό αποτύπωμα της πληθωριστικής επέκτασης. (Πιο συγκεκριμένα, η ακτινοβολία υποβάθρου προέρχεται από τις ταλαντώσεις στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο · η κατεύθυνση αυτών των ταλαντώσεων, γνωστή ως πόλωση, γίνεται στριμμένη στο πέρασμα των βαρυτικών κυμάτων.) Η ανίχνευση τέτοιων στροβιλισμών στην ακτινοβολία του περιβάλλοντος έχει από καιρό σεβαστεί το χρυσό πρότυπο για την καθιέρωση της πληθωριστικής θεωρίας, το μακρότατο όπλο για το κάπνισμα.
Στις 12 Μαρτίου, ένα δελτίο τύπου που υπόσχεται μια «σημαντική ανακάλυψη», που εκδόθηκε από το Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν, τον έλεγχο εδάφους της Βόρειας Αμερικής για την αποστολή Bicep2, έστειλε τις φήμες που αναπνέουν και αναδύονται μέσα από την παγκόσμια κοινότητα φυσικής. Ίσως οι βόλτες είχαν βρεθεί; Στη συνέντευξη Τύπου στις 17 Μαρτίου, οι φήμες επιβεβαιώθηκαν. Μετά από περισσότερο από ένα χρόνο προσεκτικής ανάλυσης των δεδομένων, η ομάδα Bicep2 ανακοίνωσε ότι είχε επιτύχει την πρώτη ανίχνευση του προβλεπόμενου μοτίβου βαρυτικών κυμάτων.
Τα λεπτά στροβιλίσματα στα δεδομένα που συλλέχθηκαν στο Νότιο Πόλο επιβεβαιώνουν κβαντικούς τρόμους του διαστήματος, που τεντώνονται από την πληθωριστική επέκταση, που ξεκινούν από το πρώιμο σύμπαν.
Τι σημαίνουν όλα αυτά?
Η περίπτωση της πληθωριστικής θεωρίας έχει πλέον αυξηθεί, καλύπτοντας έναν αιώνα αναταραχής στην κοσμολογία. Τώρα, όχι μόνο γνωρίζουμε ότι το σύμπαν επεκτείνεται, όχι μόνο έχουμε μια αξιόπιστη πρόταση για αυτό που πυροδότησε την επέκταση, ανιχνεύουμε το αποτύπωμα των κβαντικών διεργασιών που τσακίνονταν στο χώρο κατά τη διάρκεια αυτού του φλογερού πρώτου κλάσματος του δευτερολέπτου.
Όντας όμως ένας από εκείνους τους σκεπτικιστές φυσικούς, αν και αυτός που είναι ευερέθιστος, επιτρέψτε μου να ολοκληρώσω με κάποιο πλαίσιο για να σκεφτώ αυτές τις εξελίξεις.
Η ομάδα Bicep2 έχει κάνει μια ηρωική δουλειά, αλλά η πλήρης εμπιστοσύνη στα αποτελέσματά της θα απαιτηθεί επιβεβαίωση από ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών. Δεν θα χρειαστεί να περιμένουμε πολύ. Οι ανταγωνιστές του Bicep2 έχουν επίσης επιδιώξει την αναζήτηση των μικροκυμάτων. Εντός ενός έτους, ίσως λιγότερο, ορισμένες από αυτές τις ομάδες μπορεί να αναφέρουν τα ευρήματά τους.
Αυτό που είναι βέβαιο είναι ότι οι τρέχουσες και οι μελλοντικές αποστολές θα προσφέρουν όλο και πιο εκλεπτυσμένα στοιχεία που θα οξύνουν την πληθωριστική προσέγγιση. Λάβετε υπόψη ότι ο πληθωρισμός είναι ένα παράδειγμα, όχι μια μοναδική θεωρία. Οι θεωρητικοί έχουν τώρα εφαρμόσει την βασική ιδέα της βαρύτατης-από-απωθητικής βαρύτητας σε εκατοντάδες τρόπους (διαφορετικοί αριθμοί πεδίων φουστών, διαφορετικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των πεδίων κ.ο.κ.), με γενικά να αποδίδουν ελαφρώς διαφορετικές προβλέψεις. Τα δεδομένα Bicep2 έχουν ήδη ξεπεράσει σημαντικά τα βιώσιμα μοντέλα και τα μελλοντικά δεδομένα θα συνεχίσουν τη διαδικασία.
Όλα αυτά συμβάλλουν σε έναν εξαιρετικό χρόνο για την πληθωριστική θεωρία. Αλλά υπάρχει ένα ακόμη μεγαλύτερο μάθημα. Αποκλείοντας την απίθανη πιθανότητα ότι με τις καλύτερες μετρήσεις τα στροβιλίσματα εξαφανίζονται, τώρα έχουμε ένα νέο παρατηρητήριο παράθυρο στις κβαντικές διαδικασίες στο πρώιμο σύμπαν. Τα δεδομένα Bicep2 δείχνουν ότι αυτές οι διαδικασίες συμβαίνουν σε κλίμακες απόστασης περισσότερο από ένα τρισεκατομμύριο φορές μικρότερες από αυτές που δοκιμάστηκαν από τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων μας, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Πριν από μερικά χρόνια, μαζί με μια ομάδα ερευνητών, έκανα μία από τις πρώτες εξελίξεις για τον υπολογισμό του τρόπου με τον οποίο μπορούμε να δοκιμάσουμε τις τελευταίες θεωρίες της εξαιρετικά μικρής, όπως η θεωρία χορδών, με παρατηρήσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων. Τώρα, με αυτό το πρωτοφανές άλμα στο μικρορεαλισμό, μπορώ να φανταστώ ότι πιο εκλεπτυσμένες μελέτες αυτού του είδους μπορεί να ανακοινώσουν την επόμενη φάση στην κατανόησή μας για τη βαρύτητα, την κβαντική μηχανική και την κοσμική μας προέλευση.
Πληθωρισμός και το Πολυδύναμο
Τέλος, επιτρέψτε μου να επισημάνω ένα ζήτημα που μέχρι τώρα απέφυγα προσεκτικά, ένα που είναι τόσο θαυμαστό όσο και κερδοσκοπικό. Ένα πιθανό υποπροϊόν της πληθωριστικής θεωρίας είναι ότι το σύμπαν μας μπορεί να μην είναι το μόνο σύμπαν.
Σε πολλά πληθωριστικά μοντέλα, το πεδίο inflaton είναι τόσο αποτελεσματικό που ακόμα και μετά την τροφοδοσία της απωθητικής ώθησης του Big Bang, ο χώρος είναι έτοιμος να τροφοδοτήσει ένα άλλο μεγάλο κτύπημα και ένα άλλο ακόμα. Κάθε κτύπος αποδίδει το δικό του πεδίο ανάπτυξης, με το σύμπαν μας να υποβιβάζεται σε έναν από τους πολλούς. Στην πραγματικότητα, σε αυτά τα μοντέλα, η πληθωριστική διαδικασία αποδεικνύεται συνήθως ατέλειωτη, είναι αιώνια και έτσι αποδίδει έναν απεριόριστο αριθμό από σύμπαντα που κατοικούν σε ένα μεγάλο κοσμικό πολυμερές.
Με στοιχεία για τη συσσώρευση του πληθωριστικού προτύπου, είναι δελεαστικό να συμπεράνουμε ότι η εμπιστοσύνη στα multiverse θα πρέπει επίσης να αυξηθεί. Παρόλο που είμαι ευνοϊκά προς αυτήν την προοπτική, η κατάσταση δεν είναι καθόλου σαφής. Οι κβαντικές διακυμάνσεις όχι μόνο αποφέρουν παραλλαγές εντός ενός δεδομένου σύμπαντος - ένα πρωταρχικό παράδειγμα είναι οι παραλλαγές φόντου μικροκυμάτων που έχουμε συζητήσει - συνεπάγονται επίσης παραλλαγές μεταξύ των ίδιων των συμπαντων. Και αυτές οι παραλλαγές μπορεί να είναι σημαντικές. Σε μερικές ενσαρκώσεις της θεωρίας, τα άλλα σύμπαντα μπορεί να διαφέρουν ακόμη και στα είδη σωματιδίων που περιέχουν και στις δυνάμεις που λειτουργούν.
Σε αυτή την εξαιρετικά διευρυμένη προοπτική της πραγματικότητας, η πρόκληση είναι να διατυπώσουμε τι πραγματικά προβλέπει η πληθωριστική θεωρία. Πώς μπορούμε να εξηγήσουμε αυτό που βλέπουμε εδώ, σε αυτό το σύμπαν; Πρέπει να λογοδοτήσουμε ότι η μορφή μας ζωής δεν θα μπορούσε να υπάρξει στα διαφορετικά περιβάλλοντα των περισσότερων άλλων κόσμων και γι 'αυτό βρισκόμαστε εδώ - μια αμφιλεγόμενη προσέγγιση που χτυπάει μερικούς επιστήμονες ως ένα cop-out; Η ανησυχία λοιπόν είναι ότι με την αιώνια εκδοχή του πληθωρισμού που γεννά τόσα πολλά σύμπαντα, με διαφορετικά χαρακτηριστικά, η θεωρία έχει την ικανότητα να υπονομεύει τον λόγο μας για εμπιστοσύνη στον ίδιο τον πληθωρισμό.
Οι φυσικοί εξακολουθούν να αγωνίζονται με αυτά τα κενά. Πολλοί έχουν την πεποίθηση ότι πρόκειται για απλές τεχνικές προκλήσεις για τον πληθωρισμό που θα επιλυθούν εγκαίρως. Τείνω να συμφωνώ. Το επεξηγηματικό πακέτο του πληθωρισμού είναι τόσο αξιοσημείωτο και οι πιο φυσικές προβλέψεις του, τόσο θεαματικά ευθυγραμμισμένες με την παρατήρηση, ότι όλα φαίνονται σχεδόν υπερβολικά όμορφα για να είναι λάθος. Αλλά μέχρι να επιλυθούν οι λεπτές αποχρώσεις που δημιουργούνται από τα πολυκύτταρα, καλό θα ήταν να κρατήσουμε την τελική κρίση.
Εάν ο πληθωρισμός είναι σωστός, οι οραματιστές που ανέπτυξαν τη θεωρία και οι πρωτοπόροι που επιβεβαίωσαν τις προβλέψεις τους, αξίζουν το βραβείο Νόμπελ. Ωστόσο, η ιστορία θα είναι ακόμη μεγαλύτερη. Επιτεύγματα αυτού του μεγέθους ξεπερνούν το άτομο. Θα ήταν μια στιγμή για όλους μας να είμαστε υπερήφανοι και να θαυμάσουμε ότι η συλλογική μας δημιουργικότητα και διορατικότητα αποκάλυψαν μερικά από τα πιο βαθιά κρατημένα μυστικά του σύμπαντος.
