Igal aastal kuue kuu jooksul on lõunapooluse jääkorgi mitmeaastaselt pimedate ja tuulega pühitud tasandike keskmine temperatuur umbes 58 kraadi Fahrenheiti allpool nulli. Suvel, kui päike pöördub tagasi oma kuuekuuliseks päevaks, ei muutu liustikumaastik vaevalt kutsuvaks, temperatuur tõuseb miinus 20 kraadini. Pole selline koht, mida enamik meist valiks külastada.
Seotud sisu
- Vaadake, kuidas universum areneb üle 13 miljardi aasta
- Suur „gravitatsioonilaine” leidmine võis tegelikult olla lihtsalt tolm
- Esmaspäevase “Gravitatsioonilaine” asja teadus selgitas kahe minutiga
- Uus kosmiline avastus võiks olla kõige lähemal, kuhu oleme jõudnud aja alguses
Kui aga olete astronoom, kes otsib fotone, mis on meie suunas voolanud vahetult pärast suurt pauku, siis lõunapooluse pimedate sektorite laboratoorium on see, mida Met on ooperiks või Yankee staadion pesapalliks. See on parim koht, kus oma kaubandust harrastada. Maa peal kõige külmema ja kuivema õhuga laseb atmosfäär footonitel praktiliselt takistusteta liikuda, pakkudes teravaimaid maapealseid kosmosepilte, mis eales tehtud.
Kolme aasta jooksul brauseris astronoomide meeskond Harvard-Smithsoniani teadlase John Kovaci juhtimisel elemente, et osutada lõunataeva plaastrile Bicep2-na tunduvat krapsakat teleskoopi (lühend kosmilise ekstragalaktilise polarisatsiooni vähem eufoonilisest taustpildist). Märtsis avaldas meeskond oma tulemused. Kui järeldused jäävad paika, avavad need universumi varaseimate hetkede kohta suurejoonelise uue akna ja kuuluvad vääriliselt eelmise sajandi kõige olulisemate kosmoloogiliste leidude hulka.
See on lugu, mille juured on leitavad varase loomislooga, mille eesmärk on rahuldada ürgset soovi meie päritolu haarata. Kuid ma võtan jutustuse hiljem üles - Albert Einsteini avastusega suhtelisuse üldteooria, ruumi, aja ja matemaatilise baasi ning kõigi kaasaegsete kosmoloogiliste mõtete kohta.
Bicep2 teleskoobi fookustasapind, mida näidati mikroskoobi all, töötas välja NASA reaktiivmootorite laboratoorium. (Anthony Turner / JPL) 
Inflatsiooni poolt venitatavad gravitatsioonilained tekitavad Bicep2 poolt hõreda, kuid eristatava mustri, mida nimetatakse B-režiimi signaaliks. (BICEP2) 
Inflatsiooni ajal (vasakul näidatud) surus gravitatsioonijõud väljapoole, sirutades universumit sekundi murdosaga. (WMAP) Videvikus näidatud Bicep2 teleskoop saavutas prognoositava gravitatsioonilise laine esimese mustri esimese tuvastamise, teatas selle meeskond. (Steffen Richter / Harvardi ülikool) Väänas ruumi suure paugu juurde
20. sajandi algusaastatel kirjutas Einstein oma spetsiaalse relatiivsusteooria abil ruumi ja aja reegleid. Kuni selle ajani oli enamik kõik kinni Newtoni vaatenurgast - intuitiivsest vaatenurgast -, kus ruum ja aeg pakuvad muutumatut areenit, kus sündmused toimuvad. Kuid nagu Einstein seda kirjeldas, puhkes 1905. aasta kevadel torm meelest - see oli matemaatika mõistmise paduvihm, mis Newtoni universaalareenilt minema pühkis. Einstein väitis veenvalt, et universaalaega ei ole - liikumiskellad klapivad aeglasemalt ja universaalset ruumi pole - liikuvad valitsejad on lühemad. Absoluutne ja muutumatu areen andis võimaluse ruumile ja ajale, mis olid vormitavad ja paindlikud.
Pärast seda edu värskelt pöördus Einstein veelgi teravama väljakutse poole. Newtoni universaalne gravitatsiooniseadus oli juba üle kahe sajandi teinud muljetavaldava töö, ennustades kõige liikumist planeetidelt komeetideni. Isegi siis oli mõistatus, mille Newton ise sõnastas: Kuidas gravitatsioon avaldab oma mõju? Kuidas mõjutab Päike Maad umbes 93 miljoni miili ulatuses tühjast ruumist? Newton oli esitanud omaniku käsiraamatu, mis võimaldas matemaatiliselt vilunud arvutada raskusjõu mõju, kuid ta ei suutnud kapotti avada ja paljastada, kuidas gravitatsioon seda teeb.
Vastust otsides tegeles Einstein aastakümnepikkuse obsessiivse, kurnava odüsseiaga arkaanse matemaatika ja füüsilise väljamõistuse loovate lendude kaudu. 1915. aastaks lõi tema geenius läbi suhtelisuse üldteooria lõplikud võrrandid, paljastades lõpuks gravitatsioonijõu aluseks oleva mehhanismi.
Vastus? Ruum ja aeg. Spetsiaalse relatiivsusteooria tõttu juba Newtoni alustest eemaldunud, ruum ja aeg tärkasid täielikult üldrelatiivsusteooria ellu. Einstein näitas, et nii kui väändunud puitpõrand suudab valtsitud marmorit suruda, saab ruum ja aeg ise väänduda ning maapealseid ja taevakehasid nihutada, et jälgida trajektoore, mis on pikka aega omistatud gravitatsiooni mõjule.
Sõltumata abstraktsest sõnastusest tegi üldrelatiivsus lõplikke ennustusi, millest mõned kinnitati kiiresti astronoomiliste vaatluste abil. See inspireeris kogu maailmas matemaatiliselt orienteeritud mõtlejaid uurima teooria üksikasjalikke mõjusid. Seda lugu, mida me jälgime, arendas edasi Belgia preestri Georges Lemaître, kellel oli ka füüsika doktorikraad, töö. Aastal 1927 rakendas Lemaître Einsteini üldrelatiivsuse võrrandid mitte universumis asuvatele objektidele, nagu tähed ja mustad augud, vaid kogu universumile endale. Tulemus lükkas Lemaître tagasi kannale. Matemaatika näitas, et universum ei saa olla staatiline: kosmose kangas kas venis või kahanes, mis tähendas, et universum kas kas suurenes või kahaneb.
Kui Lemaître hoiatas Einsteini sellega, mida ta leidis, ehmatas Einstein. Ta arvas, et Lemaître lükkab matemaatika liiga kaugele. Einstein oli kindel, et universum tervikuna on igavene ja muutumatu, et ta mitte ainult ei jätnud vastupidiseid tõendavaid matemaatilisi analüüse, vaid lisas oma võrranditesse tagasihoidliku muudatuse, tagamaks, et matemaatika mahutab tema eelarvamused.
Ja eelarvamus see oli. 1929. aastal selgus Edwin Hubble'i astronoomilistel vaatlustel, kasutades Mount Wilsoni observatooriumis võimsat teleskoopi, et kaugemad galaktikad on kõik kiirustamas. Universum laieneb. Einstein tegi endale otsaette eufemistliku laksu, noomituse selle eest, et ta ei usaldanud omaenda võrranditest tulenevaid tulemusi, ja viis oma mõtlemise ja võrrandid andmetega vastavusse.
Muidugi suur edasiminek. Kuid uued teadmised annavad uusi mõistatusi.
Nagu Lemaître oli märkinud, kui ruum nüüd laieneb, siis kosmilise filmi tagurpidi keeramise teel järeldame, et vaadeldav universum oli ajas järjest väiksem, tihedam ja kuumem. Näiliselt vältimatu järeldus on see, et universum, mida meie näeme, tekkis fenomenaalselt pisikestest täppidest, mis purskasid, saates ruumi paisumise väljapoole - mida me praegu nimetame Suureks Pauguks.
Aga kui tõsi, siis mis saatis ruumi turset? Ja kuidas saaks sellist võõrast ettepanekut proovile panna?
Inflatsiooniteooria
Kui universum tekkis paisuvast kuumast ja intensiivselt tihedast ürgsest aatomist, nagu Lemaître seda nimetas, siis oleks kosmose paisumisel pidanud universum jahtuma. 1940. aastatel George Washingtoni ülikoolis ja hiljem 1960. aastatel Princetonis tehtud arvutused näitasid, et Suure Paugu jääksoojus avaldub footonite (valguse osakeste) vannina, mis täidab ühtlaselt ruumi. Footonite temperatuur oleks nüüd langenud vaid 2, 7 kraadini üle absoluutse nulli, asetades nende lainepikkuse spektri mikrolaine osasse - see selgitab, miks seda Suure Paugu võimalikku relikti nimetatakse kosmiliseks mikrolaine taustkiirguseks.
1964. aastal olid kaks Bell Labsi teadlast, Arno Penzias ja Robert Wilson, mõistuse otsas, pettunud satelliitside jaoks mõeldud suurest maapealsest antennist. Sõltumata sellest, kuhu nad antenni suunasid, kohtasid nad audiofiili õudusunenägu: lakkamatu taust vihastas. Kuude vältel nad otsisid, kuid ei suutnud allikat leida. Seejärel tabasid Penzias ja Wilson Princetonis tehtavate kosmoloogiliste arvutuste tuult, mis viitab sellele, et seal peaks olema madala kiirgustasemega ruum. Uurijad mõistsid, et lakkamatu viha tekkis Suure Paugu footonitest, mis kõdustasid antenni vastuvõtjat. Avastus teenis Penzias ja Wilson 1978. aasta Nobeli preemia.
Suure Paugu teooria esiletõus tõusis kiiresti, ajendades teadlasi teooriat üksteisest välja tooma, otsides ootamatuid tagajärgi ja võimalikke nõrkusi. Tuli päevakorda mitmeid olulisi küsimusi, kuid kõige olulisem oli ka kõige olulisem
põhiline.
Suurt pauku kirjeldatakse sageli kui tänapäevast teaduslikku loomise teooriat, Genesise matemaatilist vastust. Kuid see mõiste varjab olulise eksituse: Suure Paugu teooria ei ütle meile, kuidas universum alguse sai . See räägib meile, kuidas universum arenes, alustades pisikese sekundi murdosaga pärast selle algust. Kui tagasikeritud kosmiline film läheneb esimesele kaadrile, laguneb matemaatika, sulgedes objektiivi just siis, kui loomisüritus hakkab ekraani täitma. Ja kui paugu ise lahti seletada - ürgne tõuge, mis pidi universumi paisuma oma kursil, - Suure Paugu teooria vaikib.
Stanfordi ülikooli füüsikaosakonna noorel järeldoktoril Alan Guthil peaks olema oluline samm selle tühimiku täitmiseks. Guth ja tema kaastöötaja Henry Tye Cornelli ülikoolist püüdsid mõista, kuidas teatavaid hüpoteetilisi osakesi, mida nimetatakse monopolideks, võidakse universumi kõige varasematel hetkedel tekitada. Kuid arvutades sügavalt 6. detsembri 1979. aasta öösse, võttis Guth teose teises suunas. Ta mõistis, et mitte ainult võrrandid ei näidanud, et üldrelatiivsustegurid ühendasid Newtoni gravitatsioonis olulise lünga - pakkudes gravitatsiooni mehhanismi -, ning nad näitasid ka, et gravitatsioon võib käituda ootamatul viisil. Newtoni (ja igapäevase kogemuse) kohaselt on gravitatsioon atraktiivne jõud, mis tõmbab ühe objekti teise poole. Võrrandid näitasid, et Einsteini sõnastuses võib gravitatsioon olla ka tõrjuv.
Tuttavate objektide, nagu Päike, Maa ja Kuu, raskusjõud on kindlasti atraktiivne. Kuid matemaatika näitas, et erinev allikas, mitte aine kogum, vaid selle asemel, et energiat kehastada piirkonnas ühtlaselt, tekitaks gravitatsioonijõu, mis suruks väljapoole. Ja raevukalt nii. Piirkond, mille läbimõõt on vaid miljard ja teine miljard sentimeetrit, ja mis on täidetud sobiva energiaväljaga, mida nimetatakse inflatsiooniväljaks, eraldub võimsa tõrjuva gravitatsiooni abil, ulatudes potentsiaalselt nii suureks kui murdosa ulatuses vaadeldav universum. sekundist.
Ja seda võiks õigustatult nimetada pauguks. Suur pauk.
Järgnevate täpsustustega teadlaste, sealhulgas Andrei Linde, Paul Steinhardti ja Andreas Albrechti poolt tõrjuva gravitatsiooni esialgseks rakendamiseks Guthil sündis kosmoloogia inflatsiooniteooria. Usaldusväärne ettepanek selle kohta, mis süütas ruumi väljapoole paisumise, oli lõpuks teoreetikute laual. Aga kas see on õige?
Inflatsiooni testimine
Esimesel põsepuna võib tunduda lolli käsitus otsida kinnitust teooriale, mis näiliselt töötas vaid pisikese sekundi jagu ligi 14 miljardit aastat tagasi. Muidugi, universum laieneb nüüd, nii et miski pani selle toimuma. Kuid kas on isegi mõeldav kontrollida, kas selle põhjustas tõrjuv raskusjõu tugev, kuid lühike välk?
See on. Ja lähenemisviis kasutab taas kord mikrolaine taustkiirgust.
Kujutage ette, kuidas kirjutada tühja õhupalli pinnale pisike sõnum, mis oleks lugemiseks liiga väike. Seejärel puhuge õhupall üles. Venitades venib ka teie sõnum, muutudes nähtavaks. Sarnaselt, kui kosmos kogeb dramaatilist inflatsioonilist venitust, sirutuvad universumi kõige varasemate hetkede ajal pisikesed füüsilised jäljendid üle taeva, võimaldades need ka nähtavaks teha.
Kas on olemas protsess, mis oleks varajases universumis jäljendanud pisikese sõnumi? Kvantfüüsika vastab kõlava jahiga. See taandub Werner Heisenbergi poolt 1927. aastal välja töötatud määramatusprintsiibile. Heisenberg näitas, et mikromaailmas on vältimatud kvantvärinad, mis muudavad võimatuks üheaegselt täpsustada teatud omadusi, näiteks osakese asukohta ja kiirust. Ruumide jaoks piisavate väljade puhul näitab määramatuse printsiip, et välja tugevus on samuti kvantvärisemine, mis põhjustab selle väärtuse igas kohas üles ja alla hüppamist.
Aastakümnete pikkused katsed mikroreaalsusega on kinnitanud, et kvanthüüded on tõelised ja kõikjal esinevad; nad on harjumatud ainult seetõttu, et kõikumised on liiga väikesed, et neid igapäevaelus otse jälgida. Millisesse kohta tuleb kosmose inflatsiooniline venitamine.
Samamoodi nagu teie sõnum laieneva ballooni kohta, kui universum läbiks inflatsiooniteooria pakutud pöörase laienemise, siis veniksid inflatooni välja pisikesed kvantvärinad - pidage meeles, et see on tõrjuva gravitatsiooni eest vastutav väli - venitataks makromaailma. Selle tulemuseks oleks, et välja energeetika oleks mõnes asukohas suurem ja teistes puudutus väiksem.
Need energia erinevused mõjutavad omakorda kosmilise mikrolaine taustkiirgust, tuues temperatuuri mõnes kohas pisut kõrgemale ja teistes veidi madalamaks. Matemaatilised arvutused näitavad, et temperatuuri kõikumised oleksid väikesed - umbes 1 osa 100 000-st. Kuid - ja see on peamine - temperatuuri kõikumised täidaksid konkreetse statistilise mustri.
1990. aastate algusest on neid temperatuuri kõikumisi otsinud rida järjest täpsustatud vaatlusprojekte - maa-, õhupalli- ja kosmoseteleskoobid. Ja leidis nad üles. Tõepoolest, teoreetiliste ennustuste ja vaatlusandmete vahel on hingemattev kokkulepe.
Ja sellega te võite arvata, et inflatsiooniline lähenemine sai kinnitust. Kuid kogukonnana on füüsikud umbes sama skeptiline grupp kui kunagi varem. Aastate jooksul pakkusid mõned välja andmete alternatiivseid selgitusi, teised tõstatasid inflatsioonilises lähenemisviisis mitmesuguseid tehnilisi väljakutseid. Inflatsioon jäi juhtivast kosmoloogilisest teooriast kaugele, kuid paljud leidsid, et suitsetamisrelv oli veel üles leitud.
Kuni praeguseni.
Ripples kosmosekangas
Nii nagu kosmosevälju mõjutavad kvantvärinad, tagab kvantmõõtemääramatus ka selle, et ka ruum ise peaks olema kvantrihm. Mis tähendab, et ruum peaks lainetama nagu keeva veepoti pind. See on harjumatu samal põhjusel, et graniidist lauaplaat näib sile, isegi kui selle pind on mikroskoopiliste puudustega - lainemised toimuvad erakordselt väikestel skaaladel. Kuid jällegi, kuna inflatsiooniline laienemine ulatub kvantomadusteni makroreaalsuses, ennustab teooria, et pisikesed lainelised tärkavad ruumilises kangas palju pikemateks võngeteks. Kuidas me tuvastaksime need laiskumised ehk ürgsed gravitatsioonilained, nagu neid õigemini nimetatakse? Juba kolmandat korda on piletiks Suure Paugu üldlevinud reliikvia, kosmilise mikrolaine taustkiirgus.
Arvutused näitavad, et gravitatsioonilised lained jäljendaksid taustkiirgusele keerdumismustrit, mis on inflatsiooni laienemise ikooniline sõrmejälg. (Täpsemalt, taustkiirgus tuleneb elektromagnetilise välja võnkumistest; nende polarisatsioonina tuntud võnkumiste suund pöördub gravitatsiooniliste lainete mõjul.) Selliste keeriste tuvastamine taustkiirguses on juba ammu austatud, kuna inflatsiooniteooria kehtestamise kuldstandard, kauaoodatud suitsetamisrelv.
Põhja-Ameerika Bicep2 missiooni Põhja-Ameerika maapealse kontrolli Harvard-Smithsonian Astrofüüsika Keskuse välja antud pressiteade, mis lubas „suurt avastust”, saatis hingetõmbeid kuulujutte, mis kõlasid läbi kogu füüsikakogukonna. Võib-olla olid keerised leitud? 17. märtsil toimunud pressikonverentsil said kuulujutud kinnitust. Pärast enam kui aastat kestnud andmete hoolikat analüüsi teatas Bicep2 meeskond, et on ennustatud gravitatsioonilise laine mustri esimese tuvastamise saavutanud.
Lõunapoolusel kogutud andmete peened pöörded kinnitavad kosmose kvantvärinaid, mis on venitatud inflatsioonilise paisumisega ja mis läbivad varajast universumit.
Mida see kõik tähendab?
Inflatsiooniteooria näide on nüüdseks muutunud tugevaks, kattes kosmoloogia sajandi murrangud. Nüüd ei tea me mitte ainult seda, et universum laieneb, vaid ka usaldusväärse ettepaneku selle kohta, mis laienemise süütas, ja me tuvastame kvantprotsesside jäljendi, mis kõdutasid ruumi selle tulise esimese sekundi murdosa jooksul.
Kuid olles üks neist skeptilistest füüsikutest, ehkki ka see, kes on erutav, lubage mul lõpetuseks nende arengute üle mõtelda mõne kontekstiga.
Bicep2 meeskond on teinud kangelaslikku tööd, kuid täielik usaldus selle tulemuste vastu nõuab sõltumatute teadlaste meeskondade kinnitust. Me ei pea kaua ootama. Bicep2 konkurendid on ka mikrolainetega keeriseid jälitanud. Aasta jooksul, võib-olla vähem, võivad mõned neist rühmadest teatada oma tähelepanekutest.
Kindel on see, et praegused ja tulevased missioonid pakuvad üha täpsemaid andmeid, mis teravdavad inflatsioonilist lähenemist. Pidage meeles, et inflatsioon on paradigma, mitte ainulaadne teooria. Teoreetikud on nüüd pauguga tagasi tõrjuva gravitatsiooni põhidee ellu viinud sadadel viisidel (erinev arv inflatsioonivälju, erinev interaktsioon nende väljade vahel ja nii edasi), andes üldiselt igaühe pisut erinevad ennustused. Bicep2 andmed on elujõulisi mudeleid juba märkimisväärselt hävitama hakanud ja tulevased andmed jätkavad protsessi.
See kõik lisab inflatsiooniteooria jaoks erakordse aja. Kuid seal on veelgi suurem õppetund. Välistades tõenäosuse, et paremate mõõtmistega keerised kaovad, on meil nüüd uus vaatlusaken kvantprotsessidele varases universumis. Bicep2 andmed näitavad, et need protsessid toimuvad vahemaa skaaladel rohkem kui triljon korda väiksem kui meie võimsaima osakestekiirendi - suure hadronite põrkeseadise - katse. Mõni aasta tagasi arvutasin koos teadlaste rühmaga ühe esimestest katsetest välja, kuidas saaks proovida mikrolaine taustkiirguse vaatlustega meie ülikergete, näiteks keelteooria tipptasemel teooriaid. Nüüd, enneolematu hüppega mikroreaalsuses, kujutan ma ette, et sedalaadi täpsemad uuringud võivad kuulutada meie gravitatsiooni, kvantmehaanika ja kosmilise päritolu mõistmise järgmist etappi.
Inflatsioon ja multiverse
Lõpuks lubage mul käsitleda küsimust, mida olen siiani hoolikalt vältinud - see on nii imeline kui ka spekulatiivne. Inflatsiooniteooria võimalik kõrvalprodukt on see, et meie universum ei pruugi olla ainus universum.
Paljudes inflatsioonimudelites on inflatoorväli nii tõhus, et isegi pärast meie Suure Paugu tõrjuva tõuke õhutamist on väli valmis veel ühe suure paugu ja veel ühe õhku paiskamiseks. Iga pauk annab oma laieneva valdkonna, meie universum on aheldatud paljude hulka. Tegelikult osutub nende mudelite puhul inflatsiooniprotsess tavaliselt lõputuks, see on igavene ja annab seega piiramatu arvu universumeid, kus astub suur kosmiline multiversioon.
Inflatsioonilise paradigma kogunemise tõendite põhjal on kiusatus järeldada, et ka multiversiooni suhtes peaks kasvama usaldus. Ehkki mulle meeldib see vaatenurk, on olukord kaugeltki selge. Kvantkõikumised ei anna mitte ainult varieerumisi antud universumis - hea näide selle mikrolaine taustvariatsioonidest, millest me oleme rääkinud -, need hõlmavad ka erinevusi universumite endi vahel. Ja need erinevused võivad olla märkimisväärsed. Mõnes teooria kehastuses võivad teised universumid erineda isegi selles sisalduvate osakeste ja töötavate jõudude poolest.
Selles tohutult laiendatud vaates reaalsusele on väljakutse sõnastada, mida inflatsiooniteooria tegelikult ennustab. Kuidas seletada seda, mida me siin universumis näeme? Kas peame põhjustama, et meie eluvorm ei saanud eksisteerida enamiku teiste universumite erinevates keskkondades ja sellepärast leiame end siit - vastuoluline lähenemisviis, mis lööb mõned teadlased politseinikuna välja? Muret tekitab see, et inflatsiooni igavese versiooni ajal, mis kujutab nii palju universumeid, millel kõigil on oma eripära, suudab teooria õõnestada meie endi põhjuse, miks usaldame inflatsiooni ise.
Füüsikud võitlevad nende lünkade pärast edasi. Paljud usuvad, et need on üksnes inflatsiooni tehnilised väljakutsed, mis aja jooksul lahendatakse. Olen pigem nõus. Inflatsiooni selgitav pakett on nii tähelepanuväärne ja selle kõige loomulikumad ennustused on vaatemänguliselt nii tähelepanuväärselt joondatud, et see kõik tundub peaaegu liiga ilus, et eksida. Kuid kuni multiversumi tõstatatud peensused on lahendatud, on mõistlik jätta lõplik otsus.
Kui inflatsioon on õige, väärivad Nobeli preemiat teooriat välja töötanud visionäärid ja selle ennustusi kinnitanud pioneerid. Kuid lugu oleks ikkagi suurem. Selles suurusjärgus saavutused ületavad inimese. Kõigil meil oleks hetk uhked olla ja imestada, et meie kollektiivne loovus ja sisetunne olid paljastanud mõned universumi kõige sügavamalt hoitud saladused.
