Timp de șase luni în fiecare an, câmpiile perenă întunecate și măturate de vânt ale capacului de gheață polară de sud au o temperatură medie de aproximativ 58 de grade Fahrenheit sub zero. În timpul verii, când soarele se întoarce pentru ziua sa de șase luni, terenul glaciar devine cu atât mai primitor, temperaturile urcând la minus 20 de grade. Nu genul de loc pe care majoritatea dintre noi ar alege să-l viziteze.
Continut Asemanator
- Urmăriți Universul să evolueze peste 13 miliarde de ani
- Marea constatare a „valului gravitațional” poate fi oarecare praf
- Marea știință a lunii „Val gravitațional” explicată în două minute
- O nouă descoperire cosmică ar putea fi cea mai apropiată pe care am ajuns-o la începutul timpului
Dar dacă ești un astronom care caută o colecție de fotoni care s-au strecurat către noi încă de după Big Bang, atunci Laboratorul Sectorului Întunecat al Polului Sud este ceea ce este Met pentru opera sau Stadionul Yankee până la baseball. Este locul principal pentru a vă practica comerțul. Cu aerul cel mai rece și cel mai uscat de pe Pământ, atmosfera permite fotonilor să călătorească practic fără obstacole, oferind cele mai ascuțite imagini spațiale bazate pe tărie vreodată.
Timp de trei ani, o echipă de astronomi condusă de cercetătorul Harvard-Smithsonian, John Kovac, a bravizat elementele pentru a îndrepta un telescop plin de cunoaștere cunoscut sub numele de Bicep2 (un acronim pentru imaginea de fundal mai puțin eufonie a polarizării cosmice extragalactice) într-un petic al cerului de sud. În martie, echipa și-a dat rezultatele. Dacă concluziile vor rămâne, acestea vor deschide o nouă fereastră spectaculoasă în primele momente ale universului și se vor încadra meritat printre cele mai importante descoperiri cosmologice ale secolului trecut.
Este o poveste ale cărei rădăcini pot fi urmărite de povești de creație timpurie menite să satisfacă nevoia primordială de a ne înțelege originile. Dar voi relua ulterior narațiunea - cu descoperirea lui Albert Einstein a teoriei generale a relativității, a bazei matematice a spațiului, a timpului și a întregii gândiri cosmologice moderne.
Planul focal al telescopului Bicep2, prezentat la microscop, a fost dezvoltat de Laboratorul de Propulsie Jet al NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Valurile gravitaționale întinse de inflație generează un model slab, dar distinctiv, numit semnalul în modul B, capturat de Bicep2. (BICEP2) 
În timpul inflației (arătat la stânga), o forță gravitațională a împins spre exterior, întinzând universul într-o fracție minusculă de secundă. (WMAP) Telescopul Bicep2, afișat la amurg, a realizat prima detectare a unui model de undă gravitațională prevăzută, anunță echipa sa. (Steffen Richter / Universitatea Harvard) Warped Space până la Big Bang
În primii ani ai secolului XX, Einstein a rescris regulile spațiului și timpului cu teoria sa specială a relativității. Până atunci, majoritatea tuturor respectau perspectiva newtoniană - perspectiva intuitivă - în care spațiul și timpul oferă o arenă neschimbată în care au loc evenimentele. Însă, așa cum a descris-o Einstein, în primăvara anului 1905, o furtună s-a dezlănțuit în mintea lui, o revarsare torențială a perspectivei matematice care a măturat arena universală a lui Newton. Einstein a argumentat convingător că nu există timp universal - ceasurile în mișcare bifează mai încet - și nu există spațiu universal - conducătorii în mișcare sunt mai scurti. Arena absolută și neschimbătoare a dat loc unui spațiu și timp care erau maleabili și flexibili.
În urma acestui succes, Einstein a apelat la o provocare și mai accentuată. Timp de peste două secole, legea universală a gravitației a lui Newton a făcut o treabă impresionantă la prezicerea mișcării de la toate planetele la comete. Chiar și așa, a existat un puzzle pe care însuși Newton l-a articulat: Cum își exercită gravitația influența? Cum influențează Soarele Pământul pe aproximativ 93 de milioane de kilometri de spațiu esențial gol? Newton furnizase un manual al proprietarului, care permite adeptului matematic să calculeze efectul gravitației, dar nu a fost în stare să arunce capota și să dezvăluie cum face gravitația ceea ce face.
În căutarea răspunsului, Einstein s-a angajat într-o odisea obsedantă, înfiorătoare, de un deceniu, prin matematici arcane și zboruri creative ale fanteziei fizice. Până în 1915, geniul său strălucea prin ecuațiile finale ale teoriei generale a relativității, dezvăluind în final mecanismul care stă la baza forței gravitației.
Răspunsul? Spațiu și timp. Deja neclintite de la baza lor newtoniană de relativitatea specială, spațiul și timpul au dat naștere la viață în relativitatea generală. Einstein a arătat că, la fel ca o podea din lemn deformată, poate morma o marmură rulantă, spațiul și timpul se pot deforma singuri și pot încurca corpuri terestre și cerești pentru a urma traiectoriile atribuite mult timp influenței gravitației.
Oricât de abstractă a formulării, relativitatea generală a făcut predicții definitive, unele dintre ele fiind confirmate rapid prin observații astronomice. Acest lucru a inspirat gânditori matematici din întreaga lume pentru a explora implicațiile detaliate ale teoriei. A fost opera unui preot belgian, Georges Lemaître, care a susținut și un doctorat în fizică, care a avansat povestea pe care o urmărim. În 1927, Lemaître a aplicat ecuațiile lui Einstein ale relativității generale nu pe obiecte din univers, precum stelele și găurile negre, ci întregul univers în sine. Rezultatul l-a lovit pe Lemaître înapoi pe călcâie. Matematica a arătat că universul nu poate fi static: țesătura spațiului se întindea sau se contracta, ceea ce însemna că universul crește în mărime, fie se micșora.
Când Lemaître l-a alertat pe Einstein despre ce a găsit, Einstein a batjocorit. A crezut că Lemaître împinge matematica prea departe. Atât de sigur era Einstein, încât universul, în ansamblul său, era etern și neschimbat, încât nu numai că a respins analizele matematice care atestau contrariul, a introdus o modificare modestă în ecuațiile sale pentru a se asigura că matematica își va adapta prejudecățile.
Iar prejudecata a fost. În 1929, observațiile astronomice ale lui Edwin Hubble, folosind puternicul telescop de la Observatorul Mount Wilson, au dezvăluit că galaxiile îndepărtate se grăbesc. Universul se extinde. Einstein și-a dat o palmă eufemistică pe frunte, o mustrare pentru că nu a avut încredere în rezultatele care ieșeau din propriile ecuații și a adus gândul - și ecuațiile sale - la linie cu datele.
Mare progres, desigur. Însă noile idei dau rezultate noi.
După cum a subliniat Lemaître, dacă spațiul se extinde acum, atunci prin înfășurarea filmului cosmic în sens invers, concluzionăm că universul observabil a fost din ce în ce mai mic, mai dens și mai fierbinte tot mai departe în timp. Concluzia aparent inevitabilă este că universul pe care îl vedem a ieșit dintr-o specie fenomenal minusculă care a erupt, trimițând spațiu umflând spre exterior - ceea ce numim acum Big Bang.
Dar dacă este adevărat, ce a trimis umflarea spațiului? Și cum ar putea fi testată o astfel de propunere extravagantă?
Teoria inflației
Dacă universul ar fi ieșit dintr-un atom primordial fierbinte și intens dens, așa cum l-a numit Lemaître, atunci pe măsură ce spațiul s-a umflat, universul ar fi trebuit să se răcească. Calculele efectuate la Universitatea George Washington în anii 1940, și mai târziu la Princeton în anii 1960, au arătat că căldura reziduală a Big Bang-ului se va manifesta ca o baie de fotoni (particule de lumină) care să umple uniform spațiul. Temperatura fotonilor ar fi scăzut acum la doar 2, 7 grade peste zero absolut, plasându-și lungimea de undă în partea cu microunde a spectrului - explicând de ce această posibilă relicvă a Big Bang-ului se numește radiație cosmică de fundal cu microunde.
În 1964, doi oameni de știință Bell Labs, Arno Penzias și Robert Wilson, erau la sfârșit, frustrați de o mare antenă bazată pe sol, concepută pentru comunicațiile prin satelit. Indiferent de locul în care au arătat antena, au întâlnit coșmarul audiofilului: un șuier de fundal continuu. Timp de luni au căutat, însă nu au reușit să găsească sursa. Apoi, Penzias și Wilson au surprins calculele cosmologice făcute la Princeton, ceea ce sugerează că ar trebui să existe un spațiu de umplere cu radiații la nivel scăzut. Șuierul neîncetat, au realizat cercetătorii, a apărut din fotonii Big Bang-ului care gâdilă receptorul antenei. Descoperirea a câștigat Penzias și Wilson premiul Nobel din 1978.
Importanța teoriei Big Bang a izbucnit, impunând oamenii de știință să înlăture teoria, căutând implicații neașteptate și posibile slăbiciuni. O serie de probleme importante au fost scoase la iveală, dar cea mai esențială a fost și cea mai importantă
de bază.
Big Bang-ul este adesea descris ca teoria științifică modernă a creației, răspunsul matematic la Geneză. Dar această noțiune ascunde o eroare esențială: teoria Big Bang nu ne spune cum a început universul. Ne spune cum a evoluat universul, începând cu o fracțiune minusculă de secundă după ce a început totul. Pe măsură ce filmul cosmic revizuit se apropie de primul cadru, matematica se descompune, închizând lentila la fel cum evenimentul de creație urmează să umple ecranul. Și uite, atunci când vine vorba de explicarea bang-ului în sine - apăsarea primordială care trebuie să fi pus universul pe capul cursului său expansiv - teoria Big Bang este tăcută.
S-ar cădea unui tânăr coleg postdoctoral din departamentul de fizică al Universității Stanford, Alan Guth, să facă pasul esențial către umplerea acestui gol. Guth și colaboratorul său, Henry Tye, de la Universitatea Cornell, încercau să înțeleagă cum anumite particule ipotetice numite monopole ar putea fi produse în primele momente ale universului. Însă, calculând adânc în noaptea de 6 decembrie 1979, Guth a luat lucrarea într-o direcție diferită. El și-a dat seama că nu numai că ecuațiile au arătat că relativitatea generală a conectat un decalaj esențial în gravitația newtoniană - oferind mecanismul gravitației - au dezvăluit, de asemenea, că gravitația se poate comporta în moduri neașteptate. În conformitate cu Newton (și experiența de zi cu zi) gravitația este o forță atractivă care atrage un obiect spre altul. Ecuațiile arătau că, în formularea lui Einstein, gravitația ar putea fi respingătoare.
Gravitatea obiectelor cunoscute, precum Soarele, Pământul și Luna, este cu siguranță atractivă. Dar matematica a arătat că o sursă diferită, nu o aglomerație de materie, ci în schimb energie încorporată într-un câmp care umple uniform o regiune, va genera o forță gravitațională care ar împinge spre exterior. Și feroce, așa. O regiune cu doar o miliardime de miliardime de miliardime de centimetru, plină cu câmpul energetic adecvat - numit câmpul inflatului - ar fi distrusă de gravitația repulsivă puternică, care se poate întinde până la universul observabil într-o fracțiune. de o secundă.
Și pe bună dreptate s-ar numi breton. O bătaie mare.
Cu rafinări ulterioare la punerea în aplicare inițială a gravității repulsive de către Guth de către oamenii de știință, inclusiv Andrei Linde, Paul Steinhardt și Andreas Albrecht, s-a născut teoria inflaționistă a cosmologiei. O propunere credibilă pentru ceea ce a aprins umflarea exterioară a spațiului a fost în sfârșit pe masa teoreticienilor. Dar este corect?
Testarea inflației
La început, ar putea părea o eroare de nebun să caute confirmarea unei teorii care a funcționat în mod ostensibil pentru o fracțiune minusculă de o secundă în urmă cu aproape 14 miliarde de ani. Sigur, universul se extinde acum, așa că ceva a pus-o pe primul loc. Dar este chiar posibil de verificat dacă a fost stârnit de un puternic, dar scurt fulger de gravitate respingătoare?
Este. Iar abordarea folosește, încă o dată, radiațiile de fundal cu microunde.
Pentru a avea o idee despre cum, imaginați-vă că scrieți un mesaj minuscul, prea mic pentru a putea citi cineva, pe suprafața unui balon dezumflat. Apoi suflă balonul în sus. Pe măsură ce se întinde, mesajul tău se întinde și devine vizibil. În mod similar, dacă spațiul ar avea o întindere inflaționistă dramatică, atunci mici amprente fizice stabilite în primele momente ale universului ar fi întinse pe cer, ceea ce le va face vizibile.
Există un proces care ar fi imprimat un mesaj minuscul în universul timpuriu? Fizica cuantică răspunde cu un răsunător da. Se reduce la principiul incertitudinii, avansat de Werner Heisenberg în 1927. Heisenberg a arătat că microworld-ul este supus unor „puteri cuantice” inevitabile care fac imposibilă specificarea simultană a anumitor caracteristici, precum poziția și viteza unei particule. În cazul câmpurilor care suferă de spațiu, principiul incertitudinii arată că puterea unui câmp este supusă și unor cuantări cuantice, ceea ce face ca valoarea fiecărei locații să se ridice în sus și în jos.
Zeci de ani de experimente pe microrealism au verificat că zvonurile cuantice sunt reale și omniprezente; nu sunt cunoscute decât pentru că fluctuațiile sunt prea mici pentru a fi observate direct în viața de zi cu zi. Aceasta este locul în care întinderea inflaționistă a spațiului vine de la sine.
La fel ca în cazul mesajului tău despre balonul în expansiune, dacă universul ar suferi extinderea stupendentă propusă de teoria inflaționistă, atunci minusculele cantece cuantice în câmpul inflatului - amintește-ți, acesta este câmpul responsabil pentru gravitația respingătoare - ar fi întins în lumea macrow. Aceasta ar duce la faptul că energia câmpului este o atingere mai mare în unele locații și o atingere mai mică în altele.
La rândul lor, aceste variații ale energiei ar avea un impact asupra radiațiilor cosmice de fundal cu microunde, născând temperatura puțin mai ridicată în unele locații și ușor mai scăzută în altele. Calculele matematice arată că variațiile de temperatură ar fi mici - aproximativ 1 parte din 100.000. Dar - și aceasta este cheia - variațiile de temperatură ar completa un model statistic specific pe tot cerul.
Începând cu anii 90, o serie de proiecte observaționale din ce în ce mai rafinate - telescoape bazate pe sol, balon și spațiu - au căutat aceste variații de temperatură. Și i-a găsit. Într-adevăr, există un acord uluitor între predicțiile teoretice și datele observaționale.
Și cu asta, s-ar putea să credeți că abordarea inflaționistă a fost confirmată. Dar ca o comunitate, fizicienii sunt la fel de sceptici ca un grup pe care îl veți întâlni vreodată. De-a lungul anilor, unii au propus explicații alternative pentru date, în timp ce alții au ridicat diverse provocări tehnice abordării inflaționiste. Inflația a rămas departe și departe teoria cosmologică de frunte, dar mulți au simțit că pistolul de fumat nu trebuia încă găsit.
Pana acum.
Ondulări în materialul spațiului
Așa cum câmpurile din spațiu sunt supuse unor zaruri cuantice, incertitudinea cuantică asigură că spațiul însuși ar trebui să fie și el supus unor cantități cuantice. Ceea ce înseamnă că spațiul ar trebui să se onduleze ca suprafața unui vas de apă clocotit. Acest lucru este necunoscut din același motiv pentru care o masă de granit pare netedă, deși suprafața sa este plină de imperfecțiuni microscopice - ondulațiile se întâmplă pe solzi extraordinar de mici. Dar, încă o dată, deoarece expansiunea inflaționistă întinde caracteristicile cuantice în macrorealism, teoria prevede că micile ondulări răsar în ondulații mult mai lungi din țesutul spațial. Cum am detecta aceste ondulări sau valuri gravitaționale primordiale, așa cum sunt ele mai bine numite? Pentru a treia oară, reticola omniprezentă din Big Bang, radiația cosmică de fundal cu microunde, este biletul.
Calculele arată că undele gravitaționale ar imprima un model de răsucire pe radiația de fundal, o amprentă iconică a expansiunii inflaționiste. (Mai precis, radiațiile de fundal apar din oscilații în câmpul electromagnetic; direcția acestor oscilații, cunoscută sub numele de polarizare, se răsucește în urma undelor gravitaționale.) Detectarea unor astfel de vârtejuri în radiația de fundal a fost mult timp venerată ca standardul de aur pentru stabilirea teoriei inflaționiste, arma de fumat îndelung căutată.
Pe 12 martie, un comunicat de presă care promitea o „descoperire majoră”, emis de Centrul pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian, controlul la sol din America de Nord pentru misiunea Bicep2, a trimis zvonuri fără suflare care se agită prin comunitatea fizică din întreaga lume. Poate că au fost găsiți vârtejii? În cadrul conferinței de presă din 17 martie, zvonurile au fost confirmate. După mai bine de un an de analiză atentă a datelor, echipa Bicep2 a anunțat că a obținut prima detectare a modelului de undă gravitațională prevăzută.
Viraje subtile în datele colectate la Polul Sud atestă tremurările cuantice ale spațiului, întinse de expansiunea inflaționistă, care se plimbă prin universul timpuriu.
Ce înseamnă totul?
Cazul pentru teoria inflaționistă a devenit acum puternic, ceea ce a atins un secol de tulburări în cosmologie. Acum, nu numai că știm că universul se extinde, nu doar că avem o propunere credibilă pentru ceea ce a aprins expansiunea, ci detectăm amprenta proceselor cuantice care bifează spațiul în acea primă fracție de secundă.
Dar, fiind unul dintre acești fizicieni sceptici, deși unul care este și el excitabil, permiteți-mi să închei cu un anumit context pentru a mă gândi la aceste evoluții.
Echipa Bicep2 a făcut o muncă eroică, însă încrederea deplină în rezultatele sale va necesita confirmarea de către echipe independente de cercetători. Nu va trebui să așteptăm mult. Concurenții Bicep2 au fost, de asemenea, în căutarea fierbinte a vârtejurilor cu microunde. În termen de un an, poate mai puțin, unele dintre aceste grupuri își pot raporta concluziile.
Ceea ce este sigur este că misiunile actuale și viitoare vor oferi date din ce în ce mai rafinate, care vor accentua abordarea inflaționistă. Rețineți că inflația este o paradigmă, nu o teorie unică. Teoreticienii au implementat acum ideea de bază a gravitației bang-as-repulsive în sute de moduri (numere diferite de câmpuri inflaton, interacțiuni diferite între aceste câmpuri și așa mai departe), fiecare având în general predicții ușor diferite. Datele Bicep2 au câștigat deja modelele viabile în mod semnificativ, iar datele viitoare vor continua procesul.
Toate acestea se adaugă unui moment extraordinar pentru teoria inflaționistă. Dar există o lecție și mai mare. Cu excepția posibilității improbabile ca, cu măsurători mai bune, vârtejurile să dispară, avem acum o nouă fereastră de observație asupra proceselor cuantice din universul timpuriu. Datele Bicep2 arată că aceste procese se petrec pe scări de distanță mai mult de un trilion de ori mai mici decât cele identificate de cel mai puternic accelerator de particule, Large Hadron Collider. În urmă cu câțiva ani, împreună cu un grup de cercetători, am luat una dintre primele incursiuni în care am calculat modul în care teoriile noastre de ultimă oră despre ultra-mici, precum teoria șirurilor, ar putea fi testate cu observații ale radiațiilor de fundal cu microunde. Acum, cu acest salt fără precedent în microrealism, pot să-mi imaginez că studiile mai rafinate de acest fel ar putea bine să anunțe următoarea fază în înțelegerea gravitației, mecanicii cuantice și originilor noastre cosmice.
Inflația și multiversul
În cele din urmă, permiteți-mi să abordez o problemă pe care am evitat-o până acum cu atenție, una atât de minunată pe cât este de speculativă. Un posibil produs secundar al teoriei inflaționiste este că universul nostru nu poate fi singurul univers.
În multe modele inflaționiste, câmpul de inflație este atât de eficient încât chiar și după alimentarea apăsării repulsive a Big Bang-ului nostru, câmpul este gata să alimenteze un alt bang mare și un alt loc. Fiecare breton cedează propriul său domeniu în expansiune, universul nostru fiind retrogradat într-unul dintre mulți. De fapt, în aceste modele, procesul inflaționist se dovedește, de obicei, fără sfârșit, este etern și astfel dă un număr nelimitat de universuri care populează un mare multivers cosmic.
Cu dovezi pentru acumularea paradigmei inflaționiste, este tentant să concluzionăm că și încrederea în multivers ar trebui să crească. Deși sunt simpatică cu această perspectivă, situația este departe de a fi clar. Fluctuațiile cuantice nu numai că produc variații într-un univers dat - un exemplu primordial sunt variațiile de fundal de microunde pe care le-am discutat - ele implică, de asemenea, variații între universurile în sine. Iar aceste variații pot fi semnificative. În unele încarnări ale teoriei, celelalte universuri ar putea diferi chiar și în ceea ce privește tipurile de particule pe care le conțin și forțele care sunt la lucru.
În această perspectivă enorm de largă asupra realității, provocarea constă în a articula ceea ce prevede de fapt teoria inflaționistă. Cum explicăm ce vedem aici, în acest univers? Trebuie să motivăm că forma noastră de viață nu ar putea exista în diferitele medii ale majorității celorlalte universuri, și de aceea ne regăsim aici - o abordare controversată care îi atrage pe unii oameni de știință ca un polițist? Apoi, îngrijorarea este că, odată cu versiunea eternă a inflației, care creează atât de multe universuri, fiecare cu trăsături distincte, teoria are capacitatea de a ne submina însăși motivul pentru care avem încredere în inflația însăși.
Fizicienii continuă să se lupte cu aceste lacune. Mulți au încredere că acestea sunt simple provocări tehnice pentru inflație, care în timp vor fi rezolvate. Tind să fiu de acord. Pachetul explicativ al inflației este atât de remarcabil, iar predicțiile sale cele mai naturale sunt atât de spectaculos aliniate cu observația, încât toate par aproape prea frumoase ca să greșească. Dar până la rezolvarea subtilităților ridicate de multivers, este înțelept să rezervăm judecata finală.
Dacă inflația este corectă, vizionarii care au dezvoltat teoria și pionierii care au confirmat previziunile ei merită bine Premiul Nobel. Cu toate acestea, povestea ar fi mai mare. Realizările de această magnitudine transcend individul. Ar fi un moment pentru noi toți să ne mândrim și să ne minunăm că creativitatea și intuiția noastră colectivă au dezvăluit unele dintre cele mai adânci secrete ale universului.
