Évente hat hónapig a déli sarki jégsapkának évek óta sötét és szélsebességű síkjának átlagos hőmérséklete körülbelül 58 Fahrenheit fok alatt van nulla alatt. Nyáron, amikor a nap visszatér a hat hónapos napjára, a jeges terep alig válik vonzóbbá, a hőmérséklet mínusz 20 fokra emelkedik. Nem az a hely, amelyet legtöbbünk választana meglátogatni.
kapcsolodo tartalom
- Nézze meg a 13 milliárd év alatt fejlődő univerzumot
- A nagy „gravitációs hullám” felfedezése valójában csak por lehet
- A hétfői nagy „gravitációs hullám” dolga két perc alatt magyarázható
- Egy új kozmikus felfedezés lehet a legközelebbi, amire az idő elején jöttünk
De ha csillagász vagy olyan fotonok gyűjteményét keresve, amelyek közvetlenül a Nagyrobbanás óta felé fordultak feléjük, akkor a Déli-sark Sötét szektor laboratóriuma az, amit a Met a opera vagy a Yankee Stadion a baseball számára. Ez a legfontosabb hely a kereskedelem gyakorlásához. A föld leghidegebb és legszárazabb levegőjével a légkör lehetővé teszi, hogy a fotonok gyakorlatilag akadálytalanul mozogjanak, és ezzel a lehető legélesebb földfelszíni űrképeket készítsék.
Három évig a Harvard-Smithsonian kutatója, John Kovac vezette csillagászok egy csapda az elemeket mutatták a Bicep2 néven ismert vöröses távcsövet (rövidítés a kozmikus extragalaktikus polarizáció kevésbé eufóniás háttérképéhez) a déli ég foltján. Márciusban a csapat közzétette eredményeit. Ha a következtetések állnak, látványos új ablakot nyitnak a világegyetem legkorábbi pillanatain, és érdemteljesen belekerülnek a múlt század legfontosabb kozmológiai eredményei közé.
Ez egy olyan történet, amelynek gyökerei a korai alkotási történetekre vezethetők vissza, amelyek célja az eredet megértésének elsődleges ösztönzése. De a narráciát később veszem át - Albert Einstein felfedezésével az általános relativitáselmélet, a tér, az idő matematikai alapja és az összes modern kozmológiai gondolat alapján.
A Bicep2 távcső fókuszt síkját, amelyet mikroszkóp alatt mutatnak, a NASA Jet Propulsion Laboratory fejlesztette ki. (Anthony Turner / JPL) 
Az infláció által feszített gravitációs hullámok halvány, de megkülönböztető mintát hoznak létre, úgynevezett B-mód jel, amelyet a Bicep2 rögzített. (BICEP2) 
Az infláció során (a bal oldalon látható) egy gravitációs erő kinyúlt, és az univerzumot egy másodperc apró részén nyújtja. (WMAP) A szürkületben látható Bicep2 teleszkóp elérte a várható gravitációs hullám mintázatának első észlelését - jelentette be csapata. (Steffen Richter / Harvard Egyetem) Összehúzódott hely a nagy robbanásig
A 20. század első éveiben Einstein sajátos relativitáselméletével átírta a tér és az idő szabályait. Addig a legtöbb mindenki ragaszkodott a newtoni perspektívahoz - az intuitív perspektívahoz -, amelyben a tér és az idő változatlan arénát biztosít, ahol az események zajlanak. De amint Einstein leírta, 1905 tavaszán vihar csapódott fel a fejében, a matematikai betekintés tornyos csapása, amely elúsztatta Newton egyetemes arénáját. Einstein meggyőzően azzal érvelt, hogy nincs univerzális idő - a mozgásban lévő órák lassabban ketyegnek - és nincs univerzális tér - a mozgásban lévő uralkodók rövidebbek. Az abszolút és változatlan aréna helyet és időt adott helyre, alakítható és rugalmas.
Frissítve ezt a sikert, Einstein aztán még mélyebb kihívással fordult. Jóval több mint két évszázad alatt a Newton egyetemes gravitációs törvénye lenyűgöző munkát végzett, hogy megjósolja mindent, a bolygótól a üstökösig. Ennek ellenére volt egy rejtvény, amelyet maga Newton fogalmazott meg: Hogyan gyakorolja a gravitáció a befolyását? Hogyan befolyásolja a Nap a Földet körülbelül 93 millió mérföldnyi lényegében üres térben? Newton kiadott egy használati útmutatót, amely lehetővé tette a matematikailag hozzáértőnek a gravitáció hatásának kiszámítását, de nem tudta kinyitni a burkolatot és felfedni, hogy a gravitáció hogyan csinálja.
A választ keresve Einstein egy évtizedig tartó rögeszmés, fárasztó odiséziába kezdett, az arcán matematika és a kreatív fizikai képzelet útján. 1915-ig zsenije átvilágította az általános relativitáselmélet végleges egyenleteit, végül feltárva a gravitációs erő alapjául szolgáló mechanizmust.
A válasz? Tér és idő. A speciális relativitáselmélet, a tér és az idő már teljesen megszabadult newtoni alapjaiktól, az általános relativitáselmélet teljes életébe esett. Einstein megmutatta, hogy ha egy megvetemedett fa padló képes gömbölyödni egy gördülő márványra, akkor a tér és az idő maguk is vetemedhetnek, és a földi és a mennyei testeket elcsúsztathatják, hogy kövessék a gravitáció hatására régóta leírt pályákat.
A megfogalmazás absztrakt formája ellenére az általános relativitáselmélet határozott előrejelzéseket tett, amelyek közül néhányat gyorsan csillagászati megfigyelésekkel megerősítettek. Ez inspirálta a matematikailag orientált gondolkodókat az egész világon, hogy feltárják az elmélet részletes következményeit. Georges Lemaître belga pap munkája, aki szintén fizikai doktori fokozattal rendelkezik, fejlesztette a követett történetet. 1927-ben Lemaître Einstein általános relativitáselmélet-egyenleteit nem az univerzumon belüli tárgyakhoz, például csillagokhoz és fekete lyukakhoz alkalmazta, hanem maga az egész univerzum. Az eredmény Lemaître-t újra kopogtatta. A matematika azt mutatta, hogy a világegyetem nem lehet statikus: A tér szöge nyúlik vagy összehúzódik, ami azt jelentette, hogy az univerzum vagy növekszik, vagy csökken.
Amikor Lemaître figyelmeztette Einsteint arra, amit talált, Einstein felháborodott. Azt hitte, hogy Lemaître túl messzire tolja a matematikát. Einstein annyira biztos volt abban, hogy az univerzum egésze örök és változatlan, hogy nemcsak az ellenkezőjét tanúsító matematikai elemzéseket utasította el, hanem egy szerény módosítást is beillesztett egyenleteibe annak biztosítása érdekében, hogy a matematika befogadja az előítéleteit.
És az előítélet volt. 1929-ben Edwin Hubble csillagászati megfigyelései, a Wilson-hegyi csillagvizsgáló nagyteljesítményű távcsövével, felfedték, hogy a távoli galaxisok mind rohannak. Az univerzum bővül. Einstein eufemisztikus pofonba vágta magát a homlokán, megrovást azzal, hogy nem bízott a saját egyenletéből származó eredményekben, és gondolkodását - és egyenleteit - az adatokhoz igazította.
Természetesen nagy előrelépés. De az új ismeretek új rejtvényeket hoznak.
Amint Lemaître rámutatott, ha a tér most bővül, akkor a kozmikus film fordított fordításával azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a megfigyelhető világegyetem egyre kisebb, sűrűbb és melegebb volt az idővel később. A látszólag elkerülhetetlen következtetés az, hogy az általunk látott világegyetem egy fenomenálisan apró foltból jött létre, amely felbukkant, és tovább tovább küldte a térbeli duzzanatot - amit most Big Bang-nak hívunk.
De ha igaz, mi okozta a térduzzadást? És hogyan lehet kipróbálni egy ilyen furcsa javaslatot?
Az inflációs elmélet
Ha az univerzum egy duzzadó forró és erősen sűrű ősi atomból jött létre, amint azt Lemaître hívta, akkor a tér megduzzadásával az univerzumnak ki kellett volna hűlnie. A George Washington Egyetemen az 1940-es években, majd később a Princeton-ban az 1960-as években elvégzett számítások kimutatták, hogy a Nagy Bang robbanásszerű hője fotonfürdőként (fényrészecskékként) egyenletesen kitölti a teret. A fotonok hőmérséklete mindössze 2, 7 fokra esett volna az abszolút nulla fölé, hullámhosszukat a spektrum mikrohullámú részébe helyezve - ez magyarázza, hogy a Big Bang ezt a lehetséges relikvését miért nevezik kozmikus mikrohullámú háttér sugárzásnak.
1964-ben két Bell Labs tudós, Arno Penzias és Robert Wilson volt az értelme végén, és frusztrált egy nagy földi antenna, amelyet műholdas kommunikációra terveztek. Függetlenül attól, hogy hol mutatták az antennát, az audiofile rémálmával találkoztak: szüntelen háttér-sziszegés. Hónapokig keresették, de nem találták a forrást. Ezután Penzias és Wilson megragadta a Princetonon végzett kozmológiai számításokat, amelyek azt sugallták, hogy legyen alacsony szintű sugárzási töltőtér. A szüntelen sziszegés - a kutatók rájöttek - az volt, hogy a Big Bang fotonjai csiklandoztak az antenna vevőjéhez. A felfedezés Penzias és Wilson számára az 1978. évi Nobel-díjat nyerte el.
A Nagyrobbanás-elmélet hangsúlyossága felgyorsult, és arra késztette a tudósokat, hogy válasszák el az elméletet, váratlan következményeket és lehetséges gyengeségeket keresve. Számos fontos kérdést vettek napvilágra, de a legfontosabb is a legfontosabb
alapvető.
A Nagyrobbanást gyakran a teremtés modern tudományos elméletének, a Genesis matematikai válaszának nevezik. Ez a fogalom azonban eltakar egy lényeges tévedést: A Nagyrobbanás elmélete nem mondja el nekünk, hogy kezdődött az univerzum. Azt mondja nekünk, hogy az univerzum hogyan alakult ki, kezdve egy apró másodperc töredékkel, miután mindenki elindult. Ahogy a visszatekercselt kozmikus film közeledik az első képkockahoz, a matematika lebontja az objektívet, mivel az alkotás eseménye kitölti a képernyőt. És tehát, amikor el kell magyarázni magát a robbantást - az ősi lendületet, amelynek az univerzumot fejlécbe kellett állítania az expanzív útjára -, a Nagyrobbanás elmélete hallgat.
A Stanford Egyetem fizikai tanszékén, Alan Guth-ban egy fiatal posztdoktor tagnak kellene megtennie a létfontosságú lépést e hiányosság kitöltése felé. Guth és munkatársa, Henry Tye, a Cornell Egyetem próbálták megérteni, hogy a hipotetikus részecskék, melyeket monopóliumoknak neveznek, keletkezhetnek az univerzum legkorábbi pillanataiban. De mélyen 1979. december 6-i éjszakára számítva, Guth más irányba vette a munkát. Rájött, hogy az egyenletek nemcsak azt mutatják, hogy az általános relativitáselmélet lényeges rést rejt magában a newtoni gravitációban - biztosítva a gravitációs mechanizmust -, hanem azt is kiderítették, hogy a gravitáció váratlan módon viselkedhet. Newton (és a mindennapi tapasztalat) szerint a gravitáció vonzó erő, amely az egyik tárgyat a másik felé húzza. Az egyenletek azt mutatták, hogy Einstein megfogalmazásában a gravitáció is visszataszító lehet.
Az ismerős tárgyak, például a Nap, a Föld és a Hold gravitációja bizonyosan vonzó. A matematika azonban azt mutatta, hogy egy másik forrás, nem egy anyagcsomó, hanem egy régiót egyenletesen kitöltő mezőben lévő energia, gravitációs erőt hoz létre, amely kifelé tolódik. És vadul is. Egy olyan területet, amely csupán egy milliárd milliárd milliárd centiméter átmérőjű és meg van töltve a megfelelő energiamezővel - az úgynevezett inflaton mezővel -, egy erős visszataszító gravitáció szétválasztja, amely potenciálisan olyan nagyra húzódik meg, mint egy megfigyelhető univerzum. egy másodperc.
És ezt helyesen bangnak nevezik. Nagy bumm.
A tudósok, köztük Andrei Linde, Paul Steinhardt és Andreas Albrecht tudósításának Guth általi későbbi továbbfejlesztéseivel a kozmológia inflációs elmélete született. Végül a teoretikusok asztalán találtunk hiteles javaslatot arra, ami megvilágította a tér kifelé mutató duzzanatát. De igaz?
Az infláció tesztelése
Az első elpiruláskor bolondnak tűnhet, ha megerősítést keres egy olyan elméletre, amely látszólag egy másodperc apró részén működött, közel 14 milliárd évvel ezelőtt. Persze, a világegyetem most bővül, tehát valami először állította be. De elképzelhető-e annak ellenőrzése is, hogy a visszataszító gravitáció erőteljes, de rövid ideig tartó villanása szikrázta?
Ez. És a megközelítés ismét felhasználja a mikrohullámú háttér sugárzást.
Képzelje el, hogyan írhat egy apró üzenetet, amely túl kicsi ahhoz, hogy bárki el tudja olvasni, és egy légtelenített ballon felületére írjon. Ezután fújja fel a ballont. Ahogy húzódik, az üzenet is nyújtódik, és láthatóvá válik. Hasonlóképpen, ha az űr drámai inflációs nyújtást tapasztal, akkor a világegyetem legkorábbi pillanataiban lerakott apró fizikai lenyomatok az ég felé húzódnak, és valószínűleg ezeket is láthatóvá teszik.
Van-e olyan folyamat, amely apró üzenetet nyomtathatott volna a korai világegyetemben? A kvantumfizika hangos igennel válaszol. Ez a bizonytalanság elvén nyugszik, amelyet Werner Heisenberg 1927-ben fejlesztett ki. Heisenberg megmutatta, hogy a mikrovilágot elkerülhetetlenül „kvantumrázkódások” teszik ki, amelyek lehetetlenné teszik bizonyos tulajdonságok, például a részecske helyzetének és sebességének egyidejű meghatározását. A helyet kielégítő mezők esetében a bizonytalanság elve azt mutatja, hogy a mező erősségét szintén kvantumrángások befolyásolják, ami annak értékét minden helyszínen fel-le felcsúsztatja.
A mikrorealmot kísérletek évtizedeiben meggyőződtek arról, hogy a kvantumrázkódások valók és mindenütt jelen vannak; csak azért ismeretlenek, mert az ingadozások túl csekélyek ahhoz, hogy közvetlenül megfigyelhetők legyenek a mindennapi életben. Ahol jön a tér inflációs feszültsége.
Akárcsak a táguló ballonnal kapcsolatos üzenetével, ha az univerzum átélte az inflációs elmélet által javasolt óriási expanziót, akkor az inflációs tér apró kvantumrázkódásai - ne feledje, hogy ez a visszataszító gravitációért felelős mező - be lesznek húzva a makrovilágba. Ennek eredményeként a mező energiája egyes helyeken nagyobb érintés, másutt pedig kisebb.
Ezek az energiaváltozások viszont befolyásolják a kozmikus mikrohullámú háttér sugárzást, egyes helyeken kissé magasabbra, másutt pedig kissé alacsonyabbra a hőmérsékletet. A matematikai számítások azt mutatják, hogy a hőmérséklet-ingadozások kicsik - körülbelül 1 rész 100 000-ből. De - és ez kulcsfontosságú - a hőmérséklet-ingadozások kitöltnék az égbolton egy konkrét statisztikai mintát.
Az 1990-es évek elejétől kezdve egy sor finomított megfigyelő vállalkozás - földi, léggömb és űrkutató távcsövek - sorozat keresi ezeket a hőmérsékleti változásokat. És megtalálta őket. Valójában lélegzetelállító megállapodás van az elméleti jóslatok és a megfigyelési adatok között.
És ezzel azt gondolhatja, hogy az inflációs megközelítés megerősült. De mint egy közösség, a fizikusok ugyanolyan szkeptikusak egy olyan csoportban, mint ahogyan valaha találkozni fognak. Az évek során egyesek alternatív magyarázatokat javasoltak az adatokra, mások azonban különféle technikai kihívásokat vettek fel maga az inflációs megközelítés szempontjából. Az infláció messze maradt a vezető kozmológiai elmélettől, de sokan úgy érezték, hogy a dohányzó fegyvert még nem találták meg.
Mostanáig.
Hullámok a tér szövetében
Csakúgy, mint az űrben lévő mezők kvantumrázkódásoknak vannak kitéve, a kvantumbizonytalanság biztosítja, hogy maga a tér is kvantumrándulásnak legyen kitéve. Ami azt jelenti, hogy a térnek hullámosnak kell lennie, mint egy forrásban lévő vízforraló víz felületén. Ez ismeretlen ugyanabból az okból, hogy a gránit asztallap simanak tűnik, annak ellenére, hogy annak felülete mikroszkopikus hiányosságokkal teli - a hullámok rendkívül apró méretekben fordulnak elő. Még egyszer, mivel az inflációs expanzió a kvantumjellemzőket átterjeszti a makroreálba, az elmélet azt jósolja, hogy az apró hullámok a térszerkezetben sokkal hosszabb hullámokba hullnak. Hogyan észlelnénk ezeket a hullámokat, vagy az elsődleges gravitációs hullámokat, mivel helyesebben nevezik őket? Harmadik alkalommal a Big Bang mindenütt ereklye, a kozmikus mikrohullámú háttér sugárzás a jegye.
A számítások azt mutatják, hogy a gravitációs hullámok csavarodási mintát nyomtatnának a háttér-sugárzásra, ez az inflációs expanzió ikonikus ujjlenyomata. (Pontosabban: a háttér-sugárzás az elektromágneses mező rezgéseiből származik; ezeknek a polarizációnak nevezett oszcillációk iránya megtörténik a gravitációs hullámok nyomán.) Az ilyen kavarogások észlelése a háttér-sugárzásban régóta tiszteletben tartott az aranyszabvány az inflációs elmélet megállapításához, a régóta keresett dohányzópisztoly.
Március 12-én a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ által kiadott sajtóközlemény, amely a Bicep2 misszió észak-amerikai földi irányítása alatt állt a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központban, lélegzetelállító pletykákkal haladt a világ fizikai közösségén keresztül. Talán a kavargásokat megtalálták? A március 17-i sajtótájékoztatón a pletykák megerősítést nyertek. Az adatok több mint egy éves alapos elemzése után a Bicep2 csapata bejelentette, hogy a gravitációs hullám mintázatának első észlelését elérte.
A déli póluson összegyűjtött adatok finom kavarogása a tér kvantumrázkódásait igazolja, amelyeket inflációs expanzió hajt végre, és áthalad a korai világegyetemben.
Mit jelent ez az egész?
Az inflációs elmélet esete erőteljesen nőtt, lezárva a kozmológia egy százados felfordulását. Most nemcsak azt tudjuk, hogy az univerzum bővül, hanem csak egy hiteles javaslatot is kínálunk arra, ami megvilágította a terjeszkedést, és kvantitatív folyamatok lenyomatát is felismerjük, amelyek megrázkódtak a térben a tüzes első másodperc töredéke alatt.
De ha a szkeptikus fizikusok közé tartozom, bár az izgatható is, hadd fejezzenek be néhány összefüggést ezen fejlemények átgondolására.
A Bicep2 csapata hősies munkát végzett, de az eredmények teljes bizalmához független kutatócsoportoknak meg kell erősíteniük. Nem kell sokáig várnunk. A Bicep2 versenytársai is erősen üldözik a mikrohullámú kavarókat. Egy éven belül, talán kevesebbel, ezek közül a csoportok közül néhány bejelentheti eredményeit.
Ami biztos, hogy a jelenlegi és a jövőbeli missziók egyre finomabb adatokat szolgáltatnak, amelyek tovább erősítik az inflációs megközelítést. Ne feledje, hogy az infláció paradigma, és nem egyedülálló elmélet. A teoretikusok ma már több száz módszerrel valósították meg a bang-as-visszataszító gravitáció alapötletét (különböző számú inflaton mező, különböző interakciók ezen mezők között és így tovább), mindegyik általában enyhén eltérő előrejelzéseket adva. A Bicep2 adatai már jelentősen meghonosították az életképes modelleket, és a jövőbeni adatok folytatják a folyamatot.
Mindez rendkívüli időt jelent az inflációs elmélet számára. De van még egy nagyobb lecke. Tilos annak a valószínűtlen esély, hogy a jobb mérésekkel a kavarogások eltűnnek, és most új megfigyelőablakunk van a korai világegyetem kvantumfolyamatain. A Bicep2 adatai azt mutatják, hogy ezek a folyamatok a távolság skálán több mint trilliószor kisebb mértékben zajlanak, mint ahogyan a leghatékonyabb részecskegyorsítónk, a Nagy hadron-ütköző tesztelte. Néhány évvel ezelőtt egy kutatócsoporttal együtt az egyik első feltevésen kiszámítottam, hogy miként lehet a mikrohullámú háttér-sugárzás megfigyeléseivel az ultra-kicsi, például a húros elmélet élvonalbeli elméleteit kipróbálni. Most, a példa nélküli előrehaladással a mikroreagálásba, el tudom képzelni, hogy az ilyen finomabb kutatások jól ismertetik a gravitáció, a kvantummechanika és a kozmikus eredet megértésének következő szakaszát.
Infláció és a multiverse
Végül engedje meg, hogy foglalkozzon egy olyan kérdéssel, amelyet eddig óvatosan elkerültem, és amely ugyanolyan csodálatos, mint spekulatív. Az inflációs elmélet lehetséges mellékterméke az, hogy a mi univerzumunk nem lehet az egyetlen univerzum.
Sok inflációs modellben az inflációs mező annyira hatékony, hogy még a Nagyrobbanásunk visszatérő nyomásának feltöltése után is a mező készen áll egy újabb nagyrobbanásra és egy másikra. Mindegyik bang saját kiterjedő birodalmával rendelkezik, és univerzumunkat a sok közül egyre ragasztják. Valójában ezekben a modellekben az inflációs folyamat tipikusan végtelennek bizonyul, örökkévaló, és így korlátlan számú univerzumot hoz létre, amelyek egy nagy kozmikus multiverszt tartalmaznak.
Az inflációs paradigma felhalmozódásának bizonyítékaival csábító következtetésre jutni, hogy a multiversszal szembeni bizalomnak is növekednie kell. Miközben szimpatikus vagyok ehhez a nézőponthoz, a helyzet messze nem egyértelmű. A kvantumingadozások nem csak egy adott univerzumon belüli variációkat eredményeznek - ez egy kiváló példa a mikrohullámú háttérváltozásokra, amelyeket már tárgyaltunk -, de maguk az univerzumok közötti eltéréseket is magukban foglalnak. És ezek a variációk jelentősek lehetnek. Az elmélet egyes megtestesüléseiben a többi univerzum még a részecskék típusaitól és a működő erőktől is eltérhet.
A valóság ezen óriási módon kibővített perspektívájában a kihívás az, hogy megfogalmazzuk azt, amit az inflációs elmélet valóban megjósol. Hogyan magyarázhatjuk meg, mit látunk itt, ebben az univerzumban? Indokolni kell, hogy életformánk nem létezhet a legtöbb más világegyetem különféle környezetében, és ezért találunk itt magát - ellentmondásos megközelítés, amely egyes tudósok számára rendőrként jelenik meg? Az az aggodalom, hogy az infláció örök verziójával olyan sok univerzumot szül, amelyek mindegyikének külön megkülönböztetése van, az elmélet képes aláásni azt az okot, amiért maga az infláció bízhat.
A fizikusok továbbra is küzdenek ezekkel a hiányosságokkal. Sokan bíznak abban, hogy ezek pusztán az infláció technikai kihívásai, amelyek idővel megoldódnak. Hajlok egyetérteni. Az infláció magyarázó csomagja olyan figyelemre méltó, és a legtermészetesebb előrejelzései olyan látványosan igazodnak a megfigyeléshez, hogy szinte túl szépnek tűnik ahhoz, hogy tévedjen. De amíg a multiverse által felvetett finomságok nem oldódnak meg, bölcs dolog fenntartani a végső ítéletet.
Ha az infláció megfelelő, akkor az elméletet kidolgozó látnokok és az előrejelzéseket megerősítő úttörők jól megérdemlik a Nobel-díjat. A történet mégis nagyobb lenne. Ennek a nagyságrendnek az elérése meghaladja az egyént. Ez a pillanat mindenki számára büszke lenne és megcsodálná, hogy kollektív kreativitásunk és betekintésünk felfedte az univerzum legmélyebb titkait.
