Šest mesecev vsako leto imajo trajne temne in vetrovne ravnice južne polarne ledene kape povprečno temperaturo približno 58 stopinj Fahrenheita pod ničlo. Poleti, ko se sonce vrne za šestmesečni dan, ledeniški teren komaj postane bolj vabljiv, temperature se povzpnejo na minus 20 stopinj. Ne tistega kraja, ki bi ga večina od nas želela obiskati.
Sorodne vsebine
- Opazujte, kako se Vesolje razvija skozi 13 milijard let
- Veliki "Gravitacijski val", ki je bil morda videti, je pravzaprav postal le prah
- Znanost o ponedeljkovem velikem "gravitacijskem valovanju" je bila pojasnjena v dveh minutah
- Novo kozmično odkritje bi lahko bilo najbližje, kar smo prišli do začetka časa
Če pa ste astronom, ki išče zbirko fotonov, ki teče k nam že od velikega poka, potem je laboratorij za temni sektor Južnega pola tisto, kar je Met za opero ali Yankee Stadium za baseball. To je najpomembnejše mesto za prakso. Z najhladnejšim in najbolj suhim zrakom na Zemlji ozračje omogoča, da fotoni potujejo skoraj neovirano, kar zagotavlja najostrejše vesoljske slike, ki so bile kdajkoli posnete.
Tri leta je ekipa astronomov pod vodstvom raziskovalca Harvarda-Smithsoniana Johna Kovca drznila elemente, da je na obliž južnega neba usmerila močan teleskop, znan kot Bicep2 (akronim za manj eufonično ozadje slikanja kozmične ekstragalaktične polarizacije). Marca je ekipa objavila svoje rezultate. Če bodo sklepi stali, bodo odprli spektakularno novo okno v najzgodnejših trenutkih vesolja in se zasluženo uvrstili med najpomembnejše kozmološke ugotovitve preteklega stoletja.
To je zgodba, katere korenine je mogoče zaslediti do zgodnjih zgodb o ustvarjanju, ki naj bi zadovoljile prvinsko potrebo po spoznanju našega izvora. Toda pripoved bom pobral pozneje - z odkritjem Alberta Einsteina splošne teorije relativnosti, matematične osnove prostora, časa in vse sodobne kozmološke misli.
Osrednja ravnina teleskopa Bicep2, prikazana pod mikroskopom, je razvil NASA-in laboratorij za reaktivni pogon. (Anthony Turner / JPL) 
Gravitacijski valovi, ki se raztezajo zaradi inflacije, ustvarjajo šibek, vendar značilen vzorec, imenovan signal B-načina, zajet s strani Bicep2. (BICEP2) 
Med inflacijo (prikazano na levi) je gravitacijska sila potisnila navzven, ki je vesolje raztegnila v majhnem deležu sekunde. (WMAP) Teleskop Bicep2, prikazan v somraku, je dosegel prvo zaznavanje predvidenega vzorca gravitacijskega vala, je sporočila njegova ekipa. (Steffen Richter / univerza Harvard) Izkrivljen prostor do velikega poka
V zgodnjih letih 20. stoletja je Einstein s svojo posebno teorijo relativnosti na novo zapisal pravila prostora in časa. Do takrat se je večina sledila newtonski perspektivi - intuitivni perspektivi - v kateri prostor in čas zagotavljata nespremenljivo prizorišče, kjer se dogajajo dogodki. Toda kot je opisal Einstein, spomladi 1905 se je v njegovih glavah razblinila nevihta, hudourniški naliv matematičnega vpogleda, ki je pometel Newtonovo univerzalno prizorišče. Einstein je prepričljivo trdil, da ni univerzalnega časa - ure v gibanju tičijo počasneje - in ni univerzalnega prostora - vladarji v gibanju so krajši. Absolutna in nespremenljiva arena je odstopila prostor in čas, ki sta bila kovinska in prožna.
Einstein se je, ko je uspel, uspel še bolj strmemu izzivu. V dobrih dveh stoletjih je Newtonov univerzalni zakon o gravitaciji naredil impresivno delo pri napovedovanju gibanja vsega od planetov do kometov. Kljub temu je obstajala sestavljanka, ki jo je Newton sam sestavil: Kako gravitacija izvaja svoj vpliv? Kako Sonce vpliva na Zemljo skozi približno 93 milijonov milj v bistvu praznega prostora? Newton je dal navodila za uporabo, ki so matematično spretnim izračunali učinek gravitacije, vendar ni mogel odpreti pokrova in razkriti, kako gravitacija počne, kar počne.
V iskanju odgovora se je Einstein ukvarjal z desetletjem obsesivno, naporno odisejado z zamudno matematiko in ustvarjalnimi poleti fizične domišljije. Do leta 1915 je njegov genij utripal skozi končne enačbe splošne teorije relativnosti in dokončno razkril mehanizem, ki je temeljil na sili gravitacije.
Odgovor? Prostor in čas. Že odkrito od njunih newtonskih podlag je posebna relativnost, prostor in čas popolnoma zaživela v splošni relativnosti. Einstein je pokazal, da toliko kot izkrivljena lesena tla lahko potisnejo kotanjičast marmor, prostor in čas se lahko sami prepletajo in potiskajo zemeljska in nebeška telesa, da sledijo poti, ki so bile dolgo pripisane vplivu gravitacije.
Kljub abstraktni formulaciji, splošna relativnost je dala dokončne napovedi, od katerih smo nekatere hitro potrdili z astronomskimi opazovanji. To je navdihnilo matematično usmerjene mislece po svetu, da bi raziskali podrobne posledice teorije. Zgodba, ki jo spremljamo, je izpostavila delo belgijskega duhovnika Georgesa Lemaître, ki je tudi doktoriral iz fizike. Leta 1927 je Lemaître uporabil Einsteinove enačbe splošne relativnosti ne na predmete znotraj vesolja, kot so zvezde in črne luknje, temveč na celotno vesolje samo. Rezultat je Lemaître vrgel na pete. Matematika je pokazala, da vesolje ne more biti statično: Vesoljska tkanina se je bodisi raztezala bodisi skrčila, kar je pomenilo, da vesolje bodisi narašča v velikosti bodisi se krči.
Ko je Lemaître opozoril Einsteina, kaj je našel, se je Einstein norčeval. Mislil je, da Lemaître matematiko preveč potisne. Einstein je bil tako prepričan, da je vesolje kot celota večno in nespremenljivo, da ni samo zavračal matematičnih analiz, ki potrjujejo nasprotno, v svoje enačbe je vstavil skromen amandma, da bi zagotovil, da matematika ustreza njegovim predsodkom.
In predsodki so bili. Leta 1929 so astronomska opazovanja Edwina Hubbleja z močnim teleskopom v observatoriju Mount Wilson razkrila, da oddaljene galaksije vse odhajajo. Vesolje se širi. Einstein si je v čelo privoščil evfemistično klofuto, opomin, ker ni zaupal rezultatom iz lastnih enačb, svoje razmišljanje in enačbe pa je spravil v sklad s podatki.
Seveda velik napredek. Toda nova spoznanja prinašajo nove uganke.
Kot je poudaril Lemaître, če se prostor zdaj širi, potem z navijanjem kozmičnega filma v vzvratni meri sklepamo, da je bilo vesolje, ki ga je bilo opaziti, v času, ki je bilo opaziti, vedno manjše, gostejše in bolj vroče. Na videz neizogiben zaključek je, da je vesolje, ki ga vidimo, nastalo iz fenomenalno drobcene pikice, ki je izbruhnila, tako da je vesolje nabreknilo navzven - kar danes imenujemo Veliki prasak.
Če je res, kaj je poslalo vesolje? In kako bi lahko preizkusili takšen odkrit predlog?
Inflatorna teorija
Če bi vesolje nastalo iz nabregajočega vročega in močno gostega prvotnega atoma, kot ga je imenoval Lemaître, bi se vesolje moralo ohladiti, ko je vesolje nabreklo. Izračuni, ki so jih opravili na univerzi George Washington v 40. letih in pozneje na Princetonu v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, so pokazali, da se bo preostala toplota Velikega poka pojavila kot kopel fotonov (delcev svetlobe), ki enakomerno zapolnjujejo prostor. Temperatura fotonov bi se zdaj spustila na zgolj 2, 7 stopinje nad absolutno ničlo, če bi postavili svojo valovno dolžino v mikrovalovni del spektra - razložili, zakaj se ta možna relikvija Velikega praska imenuje sevanje kozmičnega mikrovalovnega ozadja.
Leta 1964 sta bila dva znanstvenika Bell Labs, Arno Penzias in Robert Wilson, na koncu pametna, razočarana zaradi velike zemeljske antene, zasnovane za satelitske komunikacije. Ne glede na to, kam so usmerili anteno, so naleteli na nočno moro avdiofila: nenehno sikanje ozadja. Mesece so iskali, a vir niso našli. Nato sta se Penzias in Wilson zapletla v kozmološke izračune, ki so jih izvajali na Princetonu, in predlagali, da bi moral obstajati prostor z nizko stopnjo sevanja. Raziskovalci so ugotovili, da nenehno šikaniranje izvira iz fotonov Big Banga, ki so škarali antenski sprejemnik. Odkritje si je Penzias in Wilson prislužil Nobelovo nagrado za leto 1978.
Znamenitost teorije velikega poka je porasla, kar je znanstvenike prisililo, da teorijo ločijo od sebe in iščejo nepričakovane posledice in morebitne slabosti. Izpostavljena so bila številna pomembna vprašanja, toda najpomembnejše je bilo tudi največ
osnovno.
Veliki prasak je pogosto opisan kot sodobna znanstvena teorija ustvarjanja, matematični odgovor Genezi. Toda ta pojem zakriva bistveno zmoto: Teorija velikega poka ne pove, kako se je vesolje začelo . Pove nam, kako se je vesolje razvijalo in začelo majhen delček sekunde po tem, ko se je vse začelo. Ko se kozmični film, ki se previja, približa prvemu kadru, se matematika razgradi, tako da objektiv zapre ravno tako, ko bo ustvarjalni dogodek napolnil zaslon. In tako je, ko gre za razlago samega udarca - prvobitnega pritiska, ki ga je moralo vesolje postaviti na svoj ekspanzijski potek - teorija Big Bang utišala.
Mlad podoktorski sodelavec na oddelku za fiziko univerze Stanford, Alan Guth, bi moral narediti ključni korak k zapolnjevanju te vrzeli. Guth in njegov sodelavec Henry Tye z univerze Cornell sta poskušala razumeti, kako lahko nastanejo nekateri hipotetični delci, imenovani monopoli, v najzgodnejših trenutkih vesolja. Toda računajoč globoko v noč na 6. december 1979 je Guth delo lotil v drugo smer. Zavedel se je, da ne samo, da so enačbe pokazale, da splošna relativnost potegne bistven razkorak v newtonski gravitaciji - zagotavljajoč gravitacijski mehanizem - tudi razkrile so, da se lahko gravitacija obnaša nepričakovano. Po Newtonovi (in vsakodnevni izkušnji) je gravitacija privlačna sila, ki en predmet vleče k drugemu. Enačbe so pokazale, da bi lahko v Einsteinovi formulaciji gravitacija bila tudi odbojna.
Gravitacija poznanih predmetov, kot so Sonce, Zemlja in Luna, je zagotovo privlačna. Toda matematika je pokazala, da bi drugačen vir, ne gruča snovi, ampak namesto energije, utelešene v polju, ki enakomerno polni regijo, ustvaril gravitacijsko silo, ki bi potisnila navzven. In srdito tako. Območje, široko nekaj milijard milijarde milijard centimetrov, napolnjeno z ustreznim energijskim poljem, imenovanim inflatonsko polje, bi se razlegalo močno odbojno gravitacijo, ki bi se lahko v delih razširilo na toliko veliko kot opazovano vesolje sekunde
In to bi upravičeno poimenovali šiška. Velik udarec.
Z naknadnimi natančnostmi Guthovega začetnega izvajanja odbojne gravitacije s strani znanstvenikov, vključno z Andrei Linde, Paulom Steinhardtom in Andreasom Albrechtom, se je rodila inflatorna teorija kozmologije. Verodostojen predlog za to, kar je vžgalo zunanjo oteklino prostora, se je končno znašel na mizi teoretikov. A je prav?
Preizkušanje inflacije
Na prvi pogled se lahko zdi bedakovo naročilo iskati potrditev teorije, ki je očitno delovala majhen del sekunde pred skoraj 14 milijardami let. Seveda, vesolje se zdaj širi, zato ga nekaj postavlja na prvo mesto. Toda ali je sploh mogoče preveriti, ali ga je sprožila močna, a kratka bliskovita odbojna gravitacija?
Je. In pristop ponovno uporablja sevanje mikrovalovnega ozadja.
Da bi dobili občutek, kako si predstavljajte, da na površino izpraznjenega balona napišete drobno sporočilo, premalo, da bi ga kdo bral. Nato napihnite balon. Ko se razteza, se tudi vaše sporočilo razteza in postane vidno. Podobno bi bilo, če bi vesolje doživelo dramatično inflacijsko raztezanje, bi se drobni fizični odtisi, postavljeni v najzgodnejših trenutkih vesolja, raztegnili po nebu, po možnosti pa bi bili tudi vidni.
Ali obstaja postopek, ki bi vtisnil drobno sporočilo v zgodnjem vesolju? Kvantna fizika odgovori z odmevnim da. Spušča se k načelu negotovosti, ki ga je napredoval Werner Heisenberg leta 1927. Heisenberg je pokazal, da je mikrovalovstvo podvrženo neizogibnim "kvantnim tresenjem", ki onemogočajo istočasno določanje določenih lastnosti, kot sta položaj in hitrost delca. Za polja, ki zasedajo prostor, načelo negotovosti kaže, da je moč polja tudi podvržena kvantnim tresenjem, zaradi česar se vrednost na vsaki lokaciji giblje navzgor in navzdol.
Desetletja poskusov na mikrorealmu so potrdila, da so kvantna tresenja resnična in vseprisotna; neznani so le zato, ker so nihanja preveč majhna, da bi jih bilo mogoče neposredno opazovati v vsakdanjem življenju. Kje pride inflacijsko raztezanje prostora na svoje.
Podobno kot s svojim sporočilom o balonu, ki se širi, če bi vesolje doživelo osupljivo širitev, ki jo predlaga inflacijska teorija, potem bi se drobne kvantne tresljaje v inflatonskem polju - ne pozabite, da je to polje, odgovorno za odbojno gravitacijo - razširile v svet makrow. To bi povzročilo, da bi bila energija polja na nekaterih lokacijah večja, na drugih manjši dotik.
Te spremembe energije bi posledično vplivale na sevanje kozmičnega mikrovalovnega ozadja, na nekaterih lokacijah je temperatura nekoliko višja, na drugih pa nekoliko nižja. Matematični izračuni kažejo, da bi bile temperaturne razlike majhne - približno 1 del na 100.000. Toda - in to je ključno - temperaturne razlike bi zapolnile določen statistični vzorec po nebu.
Od 90. let prejšnjega stoletja je serija vedno bolj izpopolnjenih opazovalnih podvigov - zemeljskih, balonskih in vesoljskih teleskopov - iskala te temperaturne razlike. In jih našel. Dejansko obstaja teoretično soglasje med teoretičnimi napovedmi in podatki o opazovanju.
In s tem bi morda mislili, da je bil inflacijski pristop potrjen. Toda kot skupnost so fiziki približno tako skeptični kot skupina, ki jo boste kdaj srečali. Z leti so nekateri predlagali alternativne razlage podatkov, drugi pa so postavljali različne tehnične izzive samemu inflacijskemu pristopu. Inflacija je ostala daleč in daleč vodilna kozmološka teorija, toda mnogi so menili, da puško še niso našli.
Do zdaj.
Odmevi v tkanini vesolja
Tako kot so polja v vesolju podvržena kvantnim tresenjem, kvantna negotovost zagotavlja, da mora biti tudi sam prostor podvržen kvantnim tresenjem. Kar pomeni, da bi moral prostor nihati kot površina vrele posode z vodo. To ni znano iz istega razloga, ker je namizje iz granita videti gladko, čeprav je njegova površina prepredena z mikroskopskimi nepopolnostmi - valovanje se dogaja na izjemno drobnih lestvicah. Toda, še enkrat, ker inflacijska ekspanzija širi kvantne značilnosti v makrorealm, teorija napoveduje, da drobni valovi poženejo v veliko daljše valove v prostorski tkanini. Kako bi zaznali te nihaje ali prvotne gravitacijske valove, kot se pravilneje imenujejo? Tretjič je vozovnica vseprisotna relikvija Velikega poka, kozmično sevanje mikrovalovnega ozadja.
Izračuni kažejo, da bi gravitacijski valovi vtisnili zasukani vzorec na sevanje ozadja, ikoničen prstni odtis inflacijske ekspanzije. (Natančneje, sevanje ozadja nastane zaradi nihanj v elektromagnetnem polju; smer teh nihanj, znanih kot polarizacija, se zasuka zaradi gravitacijskih valov.) Zaznavanje takih vrtinčkov v sevanju ozadja že dolgo velja za zlati standard za vzpostavitev inflacijske teorije, dolgo iskana pištola za kajenje.
12. marca so v sporočilu za javnost, ki obljublja "veliko odkritje", izdali Harvard-Smithsonian Center za astrofiziko, severnoameriški zemeljski nadzor za misijo Bicep2, poslali zadihane govorice, ki so se širile po svetovni fizični skupnosti. Morda so bili vrtinci najdeni? Na tiskovni konferenci 17. marca so govorice potrdile. Po več kot enem letu natančne analize podatkov je skupina Bicep2 sporočila, da je dosegla prvo zaznavanje predvidenega vzorca gravitacijskega valovanja.
Subtilni vrtinci v podatkih, zbranih na Južnem polu, potrjujejo kvantne drhtenje vesolja, ki se raztezajo zaradi inflacijske ekspanzije, ki plujejo po zgodnjem vesolju.
Kaj vse to pomeni?
Zadeva inflacijske teorije je zdaj postala močnejša in je zajela stoletje preobratov v kozmologiji. Zdaj ne samo, da vemo, da se vesolje širi, ne le, da imamo verodostojen predlog za to, kar je vžgalo širitev, odkrivamo odtis kvantnih procesov, ki so med tistim ognjenim prvim delom sekunde odzvanjali prostor.
Ker pa sem eden izmed teh skeptičnih fizikov, čeprav tisti, ki je preveč navdušen, naj zaključim z nekim kontekstom za razmišljanje o tem dogajanju.
Ekipa Bicep2 je opravila junaško delo, vendar bo za popolno zaupanje v njene rezultate potrebna potrditev neodvisnih skupin raziskovalcev. Ne bo nam treba dolgo čakati. Tekmovalci Bicep2 so se prav tako močno lotili vrtinčenja mikrovalov. V enem letu, morda manj, lahko nekatere od teh skupin poročajo o svojih ugotovitvah.
Zagotovo je, da bodo sedanje in prihodnje misije zagotavljale vedno bolj izpopolnjene podatke, ki bodo zaostrili inflacijski pristop. Upoštevajte, da je inflacija paradigma in ne enkratna teorija. Teoretiki so zdaj že na stotine načinov (različno število inflatonskih polj, različne interakcije med temi polji in tako naprej) implementirali jedro ideje o udarcu kot odbojnosti, pri čemer so vsaka na splošno dala nekoliko drugačne napovedi. Podatki Bicep2 so že znatno prevladali v izvedljivih modelih, prihodnji podatki pa bodo nadaljevali postopek.
Vse to sešteje k izjemnemu času inflacijske teorije. Toda obstaja še večja lekcija. Ker ne moremo verjetneje, da z boljšimi meritvami vrtinci izginejo, imamo zdaj novo opazovalno okno za kvantne procese v zgodnjem vesolju. Podatki Bicep2 kažejo, da se ti procesi dogajajo na oddaljenih lestvicah, več kot trilijona krat manjših od tistih, ki jih je našel naš najmočnejši pospeševalnik delcev, Veliki hadronski trkalnik. Pred nekaj leti sem skupaj s skupino raziskovalcev opravil eno prvih fora, da bi lahko izračunal, kako je mogoče preizkusiti naše vrhunske teorije ultra majhne, kot je teorija strun, z opazovanjem sevanja mikrovalovnega ozadja. Zdaj si lahko s tem neprimernim skokom v mikrorealmo predstavljam, da lahko bolj izpopolnjene tovrstne študije napovedujejo naslednjo fazo v našem razumevanju gravitacije, kvantne mehanike in našega kozmičnega izvora.
Inflacija in multiverzija
Za konec naj se lotim vprašanja, ki sem se mu doslej natančno izognil, in sicer tako čudovitega kot tudi špekulativnega. Možen stranski produkt inflacijske teorije je, da naše vesolje morda ni edino vesolje.
V mnogih inflacijskih modelih je inflatonsko polje tako učinkovito, da je tudi po odbojnem potisku našega velikega praska polje pripravljeno, da spodbudi še en velik udarec in še eno. Vsak breg prinese svoje razširjajoče se kraljestvo, naše vesolje pa je prepuščeno enemu med številnimi. Pravzaprav se pri teh modelih inflacijski postopek običajno izkaže, da se ne konča, da je večen, zato prinaša neomejeno število vesoljev, ki naseljujejo velik kozmični multiverse.
Ob dokazih, da se inflacijska paradigma kopiči, je skušljivo sklepati, da bi moralo naraščati tudi zaupanje v multiverzum. Čeprav sem naklonjen tej perspektivi, situacija še zdaleč ni jasna. Kvantna nihanja ne prinašajo samo variacij v določenem vesolju - primeren primer so različice v mikrovalovni pečici, o katerih smo govorili - vključujejo tudi razlike med samimi vesolji. In te razlike so lahko pomembne. V nekaterih inkarnacijah teorije se lahko v drugih vesoljih razlikujejo tudi po vrstah delcev, ki jih vsebujejo, in silah, ki delujejo.
V tej izjemno razširjeni perspektivi na resničnost je izziv artikulirati, kaj inflacijska teorija dejansko napoveduje. Kako razložimo, kaj vidimo tukaj, v tem vesolju? Ali moramo razlagati, da naša oblika življenja ne bi mogla obstajati v različnih okoljih večine drugih vesoljev, in zato smo se znašli tu - kontroverzen pristop, ki nekatere znanstvenike šteje kot policaja? Skrbi torej, da z večno različico inflacije, ki je sprožila toliko vesoljev, od katerih ima vsako svoje značilnosti, lahko teorija spodkoplje naš razlog, da zaupamo v inflacijo.
Fiziki se še naprej borijo s temi prazninami. Mnogi so prepričani, da so to zgolj tehnični izzivi glede inflacije, ki se bodo sčasoma rešili. Nagibam se, da se strinjam. Pojasnjevalni paket Inflacije je tako izjemen, njegove najbolj naravne napovedi pa tako spektakularno usklajene z opazovanjem, da se zdi vse skupaj skoraj prelepo, da bi bilo narobe. Toda dokler ne odpravimo subtilnosti, ki jih je ustvaril multiverse, je pametno zadržati končno presojo.
Če je inflacija prava, so vizionarji, ki so razvili teorijo, in pionirji, ki so potrdili njene napovedi, zaslužni za Nobelovo nagrado. Pa vendar bi bila zgodba še večja. Dosežki te veličine presegajo posameznika. Prišel bi trenutek, da bi bili vsi ponosni in se čudimo, da je naša kolektivna ustvarjalnost in vpogled razkrila nekatere najgloblje skrivnosti vesolja.
