Zvijezde i galaksije koje danas vidimo nisu uvijek postojale, a što dalje odlazimo, sve je bliže savršeno glatkom Svemiru, ali postoji ograničenje glatkoće koju bi mogao postići, inače ne bismo imali nijednu danas uopće. Da bismo sve to objasnili, potrebna nam je izmjena Velikog praska: kosmološka inflacija. (NASA, ESA i A. Feild (STScI))

Zašto naš svemir nije savršeno gladak?

Da nije bilo, ne bismo bili ovdje. Ali postoji znanstveni odgovor koji je spektakularno potvrđen.

Kada ispitujemo naš Svemir, gledajući planete, zvijezde, galaksije i ogromne kozmičke praznine koje ih razdvajaju, "glatka" nije upravo prva riječ koja nam pada na pamet. Ogromna kozmička mreža jedna je od najsjajnijih stvari koje se mogu zamisliti u Svemiru, s planetom poput Zemlje koji je oko 1030 puta gušći od prosjeka. Ipak, Svemir nije uvijek bio tako nezgodan, ili se ne bi razvijao kao da vidimo danas. Morao je biti rođen gotovo savršeno glatko, gdje su nesavršenosti samo nekoliko dijelova u 100.000, ili da ne bi prošlo stotine milijuna godina da nastanu prve galaksije. Ipak, te sitne nesavršenosti bile su vitalne ili ne bismo uopće stvorili strukturu kakvu danas vidimo! Nakon što stoljećima nije shvaćalo kako se to dogodilo, jedan od najspornijih teorija kozmologije, inflacija, dao je odgovor. A sada kada su naša mjerenja postigla neviđenu preciznost, njegova se predviđanja spektakularno provjere.

Vizualna povijest svemira koji se širi uključuje vruće, gusto stanje poznato kao Veliki prasak i naknadno rast i stvaranje strukture. Međutim, da bismo dobili strukturu kakvu danas vidimo, svemir se nije mogao roditi savršeno glatko. (NASA / CXC / M. Weiss)

Prema kozmičkoj inflaciji, vrući Veliki prasak nije bio sam početak prostora i vremena, već je bio samo vruće, gusto, rano stanje koje se brzo širilo. Bila je to kozmička inflacija, faza u kojoj je Svemirom dominirala ne materija i zračenje, već energija svojstvena samom prostoru, koja je postavila Veliki prasak. Ovu inflatornu fazu karakteriziralo je eksponencijalno širenje prostora, gdje se svemir udvostručio, zatim učetvorostručio, a zatim okulirao (itd.) U veličini kako vrijeme prolazi. Nakon samo 10–33 sekunde, područje veličine teorijskog niza iz teorije struna bilo bi protegnuto na mjeru veću od danas uočene Svemire. Drugim riječima, kozmička inflacija uzima sve što je prethodno postojalo i protezala ju je stvarno, doista i savršeno glatko.

Napuhavanje uzrokuje eksponencijalno širenje prostora, što može vrlo brzo rezultirati da bilo koji prethodno postojeći zakrivljeni ili glatki prostor izgleda ravan. Ako Svemir uopće ima zakrivljenost prema njemu, on ima polumjer zakrivljenosti stotine puta veći od onoga što možemo promatrati. (E. Siegel (L); udžbenik za kosmologiju Ned Wrighta (R))

Čini se da to, na prvi pogled, predstavlja ogroman problem. Ako inflacija rasteže prostor da bude ravan, jednolik i gladak, nerazdvojivo od savršenstva, kako smo danas došli u nespretni svemir? I Newtonove i Einsteinove teorije gravitacije su nestabilne u odnosu na nesavršenosti, što znači da ako započnete s gotovo ali ne-sasvim savršeno glatkim Svemirom, s vremenom će nesavršenosti rasti i postat ćete struktura. Ali ako započnete sa savršenom glatkoćom, doslovno bez nesavršenosti, ostat ćete glatko zauvijek. Pa ipak, to uopće ne ide sa Svemirom koji promatramo; morao se roditi nesavršenostima u svojoj gustoći materije.

Karta obrasca zbližavanja / grupiranja koji danas postoje galaksije u našem Svemiru. Zahtjev za postizanje početnih nesavršenosti u gustoći materije / energije. (Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Centar za svemirske letove)

Ova naivna slika inflacije mora stoga biti nepotpuna. Mora postojati neki način stvaranja tih nesavršenosti, jer u suprotnom Univerzum ne bi postojao onakav kakav vidimo. Ali važno svojstvo Univerzuma i inflacija dolazi u pomoć na najspektakularniji način. Vidite, sam prazan prostor nije sam po sebi savršeno i glatko, već na najmanjim mjerilima pokazuje kvantne fluktuacije.

Vizualizacija izračuna kvantne teorije polja koja prikazuje virtualne čestice u kvantnom vakuumu. Čak i u praznom prostoru, ova energija vakuuma nije jednaka nuli. (Derek Leinweber)

To se može promatrati na mnogo načina: svojstvena nesigurnost u samu energiju prostora; kao fluktuacije vakuuma; ili kao skupovi parova čestica-antičestice koji iskaču i izlaze iz postojanja. No bez obzira na to kako ga gledate, jedno ostaje i dalje jasno: kad biste grafički prikazali gustoću svemira i gledali ga na izuzetno malim i zrnatim mjerilima, vidjeli biste da nije ujednačen i stalan u prostoru ili vrijeme, čak i ako ste uklonili svu tvar i zračenje iz nje. Postoje kvantne fluktuacije svojstvene samom tkivu prostora.

Ilustracija ranog Svemira kao što se sastoji od kvantne pjene, gdje su kvantne fluktuacije velike, raznolike i važne na najmanjoj skali. (NASA / CXC / M.Weiss)

Obično se ta fluktuacija u prosjeku poništavaju, i na taj način se samo vijite s malom energijom nulte točke koja je pozitivna svojstvena samom prostoru. Ali tijekom inflacije ta kvantna kolebanja nemaju priliku prosječiti se, jer se sam prostor širi ovom eksponencijalnom brzinom!

Umjesto toga, događa se da se te fluktuacije protežu po cijelom Svemiru, tako da ideja kvantne fluktuacije više nije ograničena na vrlo male razmjere. U vremenskim intervalima koji su samo mali dio sekunde, ti se kvantni učinci mogu istegnuti kako bi postali fluktuacije energije na zvjezdanoj, galaktičkoj ili čak svemirskoj sveobuhvatnoj skali!

Kvantne fluktuacije koje se javljaju tijekom inflacije doista se protežu u cijelom Svemiru, ali također uzrokuju fluktuacije u ukupnoj gustoći energije, ostavljajući nam neke ne-nulte količine prostorne zakrivljenosti koje je danas ostavljen u Svemiru. Ove fluktuacije polja uzrokuju nesavršenosti gustoće u ranom Svemiru, koje dovode do fluktuacija temperature koje imamo u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini. (E. Siegel / Iza galaksije)

Kako se inflacija nastavlja, stvaraju se nove fluktuacije kvantne ljestvice, što rezultira dodatnim fluktuacijama manjih razmjera koje su se prekrivale iznad onih većih razmjera. To se nastavlja i nastavlja, stvarajući uzorak fluktuacija i slučajnih područja svih veličina koja imaju gustoću preniske i preniske energije, sve dok traje inflacija.

Zatim, nakon neodređenog vremena, dolazi do inflacije. A kada se to dogodi, sva ta energija svojstvena svemiru pretvara se u materiju, antimateriju i zračenje. Kako inflacija prestaje, vrući Veliki prasak počinje, a Svemir postaje ispunjen stvarima.

Analogija lopte koja klizi po visokoj površini je kada traje inflacija, dok se raspada struktura i oslobađa energija predstavlja pretvorbu energije u čestice. (E. Siegel)

Ali u regijama koje su u početku bile prenapučene s obzirom na energiju, zbog onih kvantnih fluktuacija tijekom inflacije, na tim će mjestima postojati malo više materije, antimaterije i zračenja od prosjeka. U regijama koje su bile preniske, tamo će postojati nešto manje od prosjeka, antimaterija i zračenje. A taj spektar nad prekomjernim i prezaduženim rezultatima trebao bi rezultirati sve blažim i toplijim područjima, u smislu temperature, u Univerzumu kao rezultat.

Regije prostora koje su nešto gušće od prosjeka stvorit će veće gravitacijske potencijalne bušotine iz kojih će se moći izvući, što znači da svjetlost koja proizlazi iz tih regija postaje sve hladnija s vremenom kada stigne u naše oči. Suprotno tome, preniska područja izgledat će poput vrućih točaka, dok će regije s savršeno prosječnom gustoćom imati savršeno prosječne temperature. (E. Siegel / Iza galaksije)

Nakon što se Svemir već neko vrijeme nalazi okolo, širi se i hladi, gravitacija postaje na djelu. Time se povećavaju fluktuacije koje su postojale u bilo kojem smjeru odstupanja od prosjeka. Nešto toplije regije, ako su prenapučene, lakše će se odreći svojih gustih regija. Hladnija područja, koja će biti prenapučena, prednost će privući materiju efikasnije nego ona koja imaju prenisku ili srednju gustoću.

Postoji zamršena ravnoteža između gravitacije, koja djeluje na privlačenje svega prema gornjoj logici, i zračenja, što pritišće na regije koje prebrzo postaju previše guste. Upravo ova interakcija snaga između gravitacije, zračenja i početnih fluktuacija inflacije dovodi do gužvi, titranja i nesavršenosti koje vidimo u pozadini kozmičke mikrovalne.

Fluktuacije u CMB-u temelje se na iskonskim fluktuacijama proizvedenim inflacijom. Konkretno, 'ravni dio' na velikim skalama (slijeva) nema objašnjenja bez inflacije, a ipak jačina fluktuacija ograničava maksimalne energetske ljestvice koje je Svemir postigao na kraju inflacije. To je daleko niže od Planckove ljestvice. (NASA / WMAP Science Team)

Početne fluktuacije u prosjeku moraju imati srednju vrijednost 1 do 30 000 ili tako, tako smo došli do fluktuacija koje opažamo u sjaju ostatka Velikog praska. Te fluktuacije tada rastu, nakon što Svemir postaje neutralan i zračenje prestaje raspršiti elektrone, čime se dobiva struktura velikih razmjera koju danas vidimo u Svemiru. S vremenom to dovodi do gravitacijskog rasta u zvijezde, galaksije, grozdove i velike kozmičke praznine koje ih razdvajaju.

Detaljan pogled na svemir otkriva da je načinjen od materije, a ne od antimaterije, da je potrebna tamna tvar i tamna energija i da ne znamo porijeklo bilo koje od tih misterija. Međutim, fluktuacije u CMB-u, stvaranje i korelacije između strukture velikih razmjera i modernih opažanja gravitacijskog leća usmjeravaju prema istoj slici koja potječe od kozmičke inflacije. (Chris Blake i Sam Moorfield)

Da se Svemir rodio savršeno glatko, ne bismo imali način da dobijemo detaljnu strukturu, i na velikim i na malim, koje imamo danas. Naša promatranja zahtijevaju da, na neki način, fluktuacije iste veličine imaju na svim mjerilima i da se Svemir trebao roditi na ovaj način. Kada je inflacija prvi put teoretizirana u kasnim 1970-ima i početkom 1980-ih, nije se moglo znati kako će se te fluktuacije ispostaviti; to je bilo predviđanje da će doći do inflacije koja se neće provjeravati desetljećima! Ipak, potvrda je ovdje spektakularna jer nijedna druga teorija ne može stvoriti te fluktuacije, a promatranja se poklapaju s onim što je inflacija predviđala na savršen, nesporan način, kao što su sateliti poput COBE, WMAP i, u posljednje vrijeme, Planck-a vratili svoje podatke.

Kvantne fluktuacije do kojih dolazi tijekom inflacije prostiru se u svemiru, a kad inflacija prestane, one postaju fluktuacije gustoće. To dovodi do vremena do strukture velikih razmjera u Svemiru danas, kao i do oscilacija temperature opaženih u CMB. (E. Siegel, sa slikama izvedenim iz ESA / Planck i međuagencijske radne skupine DoE / NASA / NSF o CMB istraživanju)

Rezultat je tako uvjerljiva priča i u skladu s podacima da praktički nema druge mogućnosti. Inflacija nije samo stvar koja se dogodila da postavi Veliki prasak ili riješi niz problema za koje smo i prije znali; davala je kvantitativna predviđanja o onome što bismo mogli očekivati ​​da postoji u Svemiru, od ranih vremena do modernih, a zapažanja su to potvrdila. Inflacija i njezina kvantna priroda razlog su zašto Svemir danas nije savršeno gladak i to je vrlo dobra stvar. Bez njega nikad ne bi bilo moguće postojati.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.