Шест месеци сваке године, вишегодишње тамне и ветровите равнице јужне поларне ледене капе имају просечну температуру од око 58 степени Фаренхеита испод нуле. Љети, када се сунце врати за шестомјесечни дан, леднички терен једва постаје примамљивији, с температурама које се пењу и до минус 20 степени. Не врсту места коју би већина нас одлучила да посети.
Сличан садржај
- Гледајте како се Универзум развија током 13 милијарди година
- Велики „гравитациони талас“ који је нашао може бити прашине
- Наука о великој „гравитационом таласу“ у понедељак објашњена је за два минута
- Ново козмичко откриће могло би бити најближе што смо дошли до почетка времена
Али ако сте астроном који тражи колекцију фотона који струју према нама тек након Великог праска, онда је Лабораторија тамног сектора Јужног пола оно што Мет треба да оперише или Ианкее стадион за бејзбол. То је најважније место за вежбање своје трговине. Уз најхладнији и најсушнији ваздух на земљи, атмосфера омогућава да фотони готово неометано путују, пружајући најоштрије свемирске слике засноване на земљи.
Током три године, тим астронома на челу са истраживачем Харвард-Смитхсониана Јохном Ковачем одважио је елементе да усмере храпави телескоп познат као Бицеп2 (акроним за мање еуфонирано Позадинско снимање козмичке екстрагалактичке поларизације) на закрпу јужног неба. У марту је тим објавио своје резултате. Ако закључци буду стајали, они ће отворити спектакуларни нови прозор о најранијим тренуцима свемира и заслужено ће се сврстати међу најважнија космолошка открића прошлог века.
То је прича чије коријене можемо пратити до раних прича о стварању чији је циљ да задовоље исконски порив да схватимо наше порекло. Али приповиједат ћу касније - открићем Алберта Еинстеина о опћој теорији релативности, математичкој основи простора, времена и читавој модерној космолошкој мисли.
Фокална равнина телескопа Бицеп2, приказана под микроскопом, развијена је у НАСА-иној лабораторији за млазни погон. (Антхони Турнер / ЈПЛ) 
Гравитациони таласи растегнути инфлацијом стварају слаб, али карактеристичан образац, назван Б-моде сигналом, заробљен Бицеп2. (БИЦЕП2) 
За време инфлације (приказано лево), гравитациона сила се гурнула према ван, протежући свемир у малом делићу секунде. (ВМАП) Телескоп Бицеп2, приказан у сумрак, постигао је прво откривање предвиђеног узорка гравитационог таласа, саопштила је његова екипа. (Стеффен Рицхтер / Харвард универзитет) Изкривљен простор до Великог праска
У раним годинама 20. века Ајнштајн је преписао правила простора и времена својом посебном теоријом релативности. До тада, већина се држала невтонске перспективе - интуитивне перспективе - у којој простор и време пружају непромењиву арену у којој се догађају. Али како је Еинстеин то описао, у пролеће 1905. године у његовом уму се разбила олуја, бујица математичког увида која је замахнула Невтоновом универзалном ареном. Ајнштајн је уверљиво тврдио да не постоји универзално време - сатови у покрету брже лете - а нема универзалног простора - владари у покрету су краћи. Апсолутна и непроменљива арена уступила је простор и време који су били прости и флексибилни.
Свежи од овог успеха, Ајнштајн се затим окренуо још већем изазову. Током више од два века, Њутнов универзални закон гравитације обавио је импресиван посао предвиђајући кретање свега, од планета до комета. Упркос томе, постојала је загонетка коју је сам Невтон артикулирао: Како гравитација врши свој утицај? Како Сунце утиче на Земљу кроз неких 93 милиона километара суштински празног простора? Њутн је пружио приручник за власништво који је математички вештом омогућио да израчуна ефекат гравитације, али није успео да отвори поклопац и открије како гравитација ради оно што ради.
У потрази за одговором, Ајнштајн се укључио у деценију дугу опсесивну, мучну одисеју кроз скривене математике и креативне летове физичке фантастике. До 1915. године његов гениј је блистао кроз коначне једначине опште теорије релативности, коначно откривши механизам који стоји у основи силе гравитације.
Одговор? Простор и време. Већ разбијени од својих невтонских темеља посебном релативношћу, простор и време су у потпуности оживели у животу у општој релативности. Ајнштајн је показао да онолико колико искривљени дрвени под може притиснути мермер који се ваља, простор и време могу сами да се искриве и притисну земаљска и небеска тела да прате путање дуго приписане утицају гравитације.
Ма колико апстрактна формулација, општа релативност дала је дефинитивна предвиђања, од којих су нека брзо потврђена астрономским запажањима. То је надахнуло математички оријентисане мислиоце широм света да истраже детаљне импликације теорије. Рад белгијског свештеника Георгеса Лемаитре-а, који је такође имао докторат из физике, унапредио је причу коју пратимо. Године 1927. Лемаитре је Еинстеинове једначине опште релативности применио не на предмете унутар универзума, попут звезда и црних рупа, већ на цео свемир. Резултат је ударио Лемаитре-а на пете. Математика је показала да свемир не може бити статичан: Тканина простора се или истезала или сужавала, што је значило да свемир или расте или се смањује.
Кад је Лемаитре упозорио Ајнштајна на оно што је пронашао, Аинстеин се ругао. Мислио је да Лемаитре превише гура математику. Толико је био сигуран Ајнштајн да је свемир као целина вечан и непроменљив да није само одбацио математичке анализе које потврђују супротно, већ је у своје једначине убацио скроман амандман како би осигурао да математика одговара његовим предрасудама.
И предрасуда је била. Године 1929. астрономска посматрања Едвина Хубблеа помоћу моћног телескопа у опсерваторију Моунт Вилсон открила су да све удаљене галаксије одлетјевају. Универзум се шири. Ајнштајн је себи дао еуфемистички шамар у чело, укор за то што није вјеровао резултатима из сопствених једначина, и своје мишљење - и своје једначине - довео у ред података.
Велики напредак, наравно. Али нови увиди дају нове загонетке.
Као што је Лемаитре нагласио, ако се сада простор проширује, намотавањем космичког филма обрнуто, закључујемо да је свемир који је могао опажати бити све мањи, гушћи и топлији, све даље у времену. Наизглед неизбежни закључак је да је свемир који видимо настао из феноменално сићушне мрље која је избила, шаљући простор отеклина према вани - оно што сада називамо великим праском.
Али ако је тачно, шта је послало простор отеклина? И како се може тестирати такав необични приједлог?
Инфлаторна теорија
Ако би свемир изашао из топлог и вруће густег првобитног атома, како га је Лемаитре назвао, тада би се свемир требао охладити. Прорачуни предузети на Универзитету Георге Васхингтон током 40-их, а касније и на Принцетону 1960-их, показали су да ће се заостала топлота Великог праска очитовати као купка фотона (честица светлости) који равномерно испуњавају простор. Температура фотона сада би пала на само 2, 7 степени изнад апсолутне нуле, смештајући њихову таласну дужину у микроталасни део спектра - објашњавајући зашто се овај могући реликт Великог праска назива космичким микроталасним позадинским зрачењем.
1964. године, два научника из Белл Лаб-а, Арно Пензиас и Роберт Вилсон, били су на памети, фрустрирани великом антеном у земљи заснованој за сателитску комуникацију. Без обзира на то где су усмерили антену, наишли су на ноћну мору аудиофила: непрестано шиштање у позадини. Месецима су трагали, али нису успели да пронађу извор. Затим су Пензиас и Вилсон ухватили вест за космолошке прорачуне који су рађени на Принцетону, сугерирајући да би требало да постоји простор за пуњење зрачења ниског нивоа. Непрекидно шиштање, схватили су истраживачи, настало је тако што су фотони Великог праска голицали антенски пријемник. Откриће је добило Пензиас и Вилсон Нобелову награду за 1978. годину.
Истакнутост теорије Великог праска порасла је на брзину, приморавши научнике да раздвоје теорију, тражећи неочекиване импликације и могуће слабости. Изнесена су бројна важна питања, али најважније је било и највише
основни.
Велики прасак се често описује као модерна научна теорија стварања, математички одговор на Постанак. Али овај појам прикрива суштинску заблуду: Теорија Великог праска не говори нам о томе како је свемир почео . То нам говори како се универзум развијао, започињући малени делић секунде након што је све започело. Како се космички филм према намотавању приближава првом кадру, математика се распада, затварајући сочиво баш кад догађај стварања спрема да испуни екран. И тако, када је у питању објашњење самог праска - оног првобитног притиска који је свемир морао усмјерити на свој експанзијски курс - теорија Великог праска је тиха.
Пало би на младом постдокторском колеги са одељења за физику Универзитета Станфорд, Алана Гутха, да предузме витални корак ка испуњавању тог јаза. Гутх и његов сарадник Хенри Тие са Универзитета Цорнелл покушавали су схватити како се у најранијим тренуцима свемира могу произвести одређене хипотетичке честице зване монополи. Али рачунајући дубоко у ноћ 6. децембра 1979, Гутх је посао одвео у другом правцу. Схватио је да не само што једначине показују да је општа релативност угушила суштински јаз у Њутоновој гравитацији - пружајући гравитациони механизам - и открила је да се гравитација може понашати неочекивано. Према Невтону (и свакодневном искуству), гравитација је привлачна сила која један предмет повлачи ка другом. Једнаџбе су показале да би у Еинстеиновој формулацији гравитација такође могла бити одбојна.
Гравитација познатих објеката, као што су Сунце, Земља и Месец, сигурно је атрактивна. Али математика је показала да ће другачији извор, а не накупина материје, али уместо тога енергија која се налази у пољу који равномерно испуњава регију, створити гравитациону силу која би се гурнула према споља. И грозно. Регија дугачка само милијарду милијарду милијарде центиметара, испуњена одговарајућим енергетским пољем - која се назива инфлатонско поље - била би раскомадана снажном одбојном гравитацијом, која би се потенцијално могла протегнути до свемира који је уочљив у делићу у секунди
И то би се с правом могло назвати праском. Велики прасак.
С накнадним прецизирањима Гутхове иницијалне примене одбојне гравитације од стране научника, укључујући Андреја Линде, Паула Стеинхардта и Андреаса Албрецхта, рођена је инфлаторна теорија космологије. Веродостојан предлог за оно што је запалило спољашње отеклине простора коначно је стао на сто теоретичара. Али је ли тачно?
Испитивање инфлације
У први мах могло би изгледати будаласто тражење потврде теорије која је наоко деловала током малог дела секунде пре готово 14 милијарди година. Наравно, универзум се сада шири, тако да је то нешто поставило на прво место. Али да ли је чак и замислити да се потврди да ју је покренуо снажан, али кратак бљесак одбојне гравитације?
То је. Приступ опет користи микроталасно позадинско зрачење.
Да бисте добили осећај како, замислите да на површину испуханог балона напишете малу поруку, премалену да би је ико могао прочитати. Затим дижите балон. Како се протеже, тако ће бити и видљива ваша порука. Слично томе, ако би свемир доживио драматично инфлаторно истезање, ситни физички отисци постављени током најранијих тренутака универзума били би протегнути преко неба, вероватно чинећи их и видљивим.
Да ли постоји процес који би утиснуо сићушну поруку у раном свемиру? Квантна физика одговара са снажним да. Своди се на принцип неизвесности, који је напредовао Вернер Хеисенберг 1927. Хеисенберг је показао да је микроталасни свет подложан неизбежним „квантним подрхтавањима“ која онемогућавају истовремено одређивање одређених карактеристика, попут положаја и брзине честице. За поља која губе простор, принцип несигурности показује да је снага поља такође подложна квантним подрхтавањима, због чега његова вриједност на свакој локацији прелази горе-доље.
Десетљећима експеримената на микрореалму потврђено је да су квантна подрхтавања стварна и свеприсутна; непознати су само зато што су флуктуације сувише ситне да би се директно могле посматрати у свакодневном животу. Тамо долази инфлаторно растезање простора.
Слично као и с вашом поруком о балону који се шири, ако би свемир прошао кроз невјеројатну експанзију коју је предложила инфлаторна теорија, тада би се малене квантне треперења у инфлатонском пољу - запамтите, то поље одговорно за одбојну гравитацију - прошириле у макро свет. То би резултирало тиме да енергија поља буде додир већи на неким локацијама, а други мањи.
Заузврат, ове варијације енергије имале би утицаја на космичко микроталасно позадинско зрачење, доводећи температуру мало вишу на неким локацијама, а на неким нижим. Математички прорачуни показују да би температурне разлике биле мале - око 1 део у 100.000. Али - и то је кључно - температурне разлике би испуниле специфичан статистички образац широм неба.
Почев од 1990-их, серија све рафиниранијих посматрачких подухвата - земаљских, балонских и свемирских телескопа - тражио је ове температурне разлике. И нашао их. Заправо, постоји тежи договор између теоријских предвиђања и података посматрања.
И с тим бисте могли помислити да је инфлаторни приступ потврђен. Али, као заједница, физичари су подједнако скептични према групи коју ћете икада срести. Током година, неки су предложили алтернативна објашњења за податке, док су други поставили разне техничке изазове самом инфлаторном приступу. Инфлација је и даље била далеко водећа космолошка теорија, али многи су сматрали да пушење још увек није пронађено.
До сада.
Рипопс у тканини простора
Баш као што су поља у простору подложна квантним подрхтавањима, квантна несигурност осигурава да и сам простор мора бити подложан квантним подрхтавањима. Што значи да простор треба да се ниже попут површине кључале воде. То није познато из истог разлога што је гранитна плоча изгледа глатка иако је њена површина прожета микроскопским несавршеностима - таласања се дешавају на изузетно ситним скалама. Али, још једном, с обзиром на то да инфлаторна експанзија протеже квантне карактеристике у макрореалму, теорија предвиђа да ситни валови расту у далеко дуже пукотине у просторном ткиву. Како бисмо открили ове мрене или првобитне гравитационе таласе, како их правилније називамо? По трећи пут је улазница свеприсутна реликвија Великог праска, космичко микроталасно зрачење позадине.
Прорачуни показују да би гравитациони таласи утиснули увијајући узорак зрачења у позадини, иконични отисак инфлаторне експанзије. (Тачније, позадинско зрачење настаје због осцилација у електромагнетном пољу; правац ових осцилација, познат као поларизација, искреће се након гравитационих таласа.) Детекција таквих ковитлаца у позадинском зрачењу одавно се сматра као златни стандард за успостављање инфлаторне теорије, дуготрајни пиштољ за пушење.
Дана 12. марта, саопштење за јавност које обећава "велико откриће", издато од Харвард-Смитхсониан Центра за астрофизику, северноамеричке земаљске контроле за мисију Бицеп2, послало је гласине без даха који су одјекнули широм светске физичке заједнице. Можда су вирови пронађени? На конференцији за штампу 17. марта, гласине су потврђене. Након више од годину дана пажљиве анализе података, Бицеп2 тим је објавио да је постигао прво откривање предвиђеног узорка гравитационог таласа.
Суптилни вири у подацима прикупљеним на Јужном полу потврђују квантне дрхтавице простора, које се протежу инфлаторном експанзијом, лутајући раним универзумом.
Шта то све значи?
Случај инфлаторне теорије сада је ојачао и обухватио је век преокрета у космологији. Сада, не само да знамо да се свемир шири, не само да ли имамо веродостојан предлог за оно што је запалило ширење, ми детектујемо отисак квантних процеса који су голицали простор током те ватрене прве деонице секунде.
Али, као један од оних скептичних физичара, иако онај који је такође узбудљив, дозволите ми да закључим с неким контекстом за размишљање о тим догађањима.
Бицеп2 тим је обавио херојски посао, али за потпуно поверење у његове резултате потребна ће потврда независних тимова истраживача. Нећемо морати дуго да чекамо. Такмичари Бицеп2-а такође су били у великој потрази за завртњима микроталасне пећнице. У року од годину дана, можда и мање, неке од ових група могу пријавити своја открића.
Оно што је сигурно је да ће тренутне и будуће мисије пружити све прецизније податке који ће заоштрити инфлаторни приступ. Имајте на уму да је инфлација парадигма, а не јединствена теорија. Теоретичари су сада имплементирали суштинску идеју удара-као-одбојне-гравитације на стотине начина (различит број поља инфлатона, различите интеракције између тих поља и тако даље), при чему свако обично даје мало другачија предвиђања. Подаци о Бицеп2 већ су значајно препознали одрживе моделе, а наредни подаци ће наставити процес.
Ово све сачињава изузетно време за инфлаторну теорију. Али постоји још већа лекција. Забрањујући мало вероватну могућност да са бољим мерењима вирови нестану, сада имамо нови прозор за посматрање квантних процеса у раном универзуму. Подаци Бицеп2 показују да се ови процеси дешавају на размерама удаљеним више од трилијуна пута мањим од оних које је испитивао наш најмоћнији акцелератор честица, Велики хадронски сударач честица. Пре неколико година, заједно са групом истраживача, узео сам један од првих корака за израчунавање како се наше врхунске теорије ултра-мале, попут теорије струна, могу тестирати са запажањима микроталасног позадинског зрачења. Сада, са овим невиђеним скоком у микрореалност, могу да замислим да би рафинираније студије ове врсте могле натерати следећу фазу у нашем разумевању гравитације, квантне механике и нашег космичког порекла.
Инфлација и мултиверзија
За крај, дозволите ми да се позабавим проблемом који сам до сада пажљиво избегавао, који је толико чудесан колико и спекулативан. Могући нуспродукт инфлаторне теорије је да наш универзум можда није једини универзум.
У многим инфлаторним моделима, инфлатонско поље је толико ефикасно да чак и након потискивања одбојног притиска нашег Великог праска, поље је спремно да подстакне још један велики прасак и још једно. Сваки прасак даје своје царство које се шири, а наш универзум је пребачен на један међу многим. У ствари, у овим се моделима инфлаторни процес обично доказује непрестаним, вечним и тако доноси неограничен број свемира који насељавају велики космички универзум.
Уз доказе о накупљању инфлаторне парадигме, примамљиво је закључити да би поверење требало да расте и у мултиверзуму. Иако сам наклоњен тој перспективи, ситуација је далеко од јасне ситуације. Квантне флуктуације не само да резултирају варијацијама унутар датог универзума - о чему су највиши пример варијације позадине микроталасне пећнице о којима смо разговарали - већ укључују и различитости између самих универзума. А ове варијације могу бити значајне. У неким утјеловљењима теорије, други универзуми се могу разликовати чак и у врстама честица које садрже и силама које дјелују.
У овој изузетно широкој перспективи на стварност, изазов је артикулирати шта инфлаторна теорија заправо предвиђа. Како објаснити оно што видимо овде, у овом универзуму? Морамо ли расуђивати да наш животни облик не може постојати у различитим окружењима већине других свемира, и зато се ми овде налазимо - контроверзан приступ који неке научнике доживљава као полицајца? Дакле, забринутост је да с вечном верзијом инфлације која је рађала толико универзума, сваки са различитим карактеристикама, теорија има способност да поткопа наш сам разлог поверења у саму инфлацију.
Физичари се и даље боре са тим празнинама. Многи имају уверења да су то пуки технички изазови инфлацији који ће временом бити решени. Ја се углавном слажем. Објашњавајући пакет инфлације толико је изванредан, а његова најприроднија предвиђања тако спектакуларно усклађена са опажањем да се чини да је готово прелепо да би било погрешно. Али док се суптилности које је покренуо мултиверсе не разреше, мудро је задржати коначну пресуду.
Ако је инфлација тачна, визионари који су развили теорију и пионири који су потврдили њена предвиђања добро су заслужни за Нобелову награду. Ипак, прича би и даље била већа. Постигнућа ове величине надмашују појединца. Био би тренутак да сви будемо поносни и чудимо се што су наша колективна креативност и увид открили неке од најдубљих тајни свемира.
