Good Mood

Når vi ser på Universet i dag, vet vi med en ekstraordinær mengde vitenskapelig visshet om at det var ikke bare skapt som den er, men utviklet seg til sin nåværende konfigurasjon over milliarder av år av kosmiske historie. Vi kan bruke det vi ser i dag, både i nærområdet og på store avstander, til å vurdere hva Universet var som en gang for lenge siden, og for å forstå hvordan det kom til å være slik det er nå.,

Når vi tenker på vår kosmisk opprinnelse, da, det er bare menneskelig å spørre den mest grunnleggende av alle mulige spørsmål: hvor ble det av alt dette kommer fra? Det har gått mer enn et halvt århundre siden den første robust og unike spådommer om Big Bang ble bekreftet, fører til vår moderne bilde av et Univers som begynte fra et varmt, tett state noen med 13,8 milliarder år siden. Men i vår søken etter begynnelsen av, vi vet allerede at tiden kunne ikke ha startet med the Big Bang. Faktisk, det kan ikke ha hatt en begynnelse i det hele tatt.,

Når vi tenker på noe, bruker vi vår svært menneskelig logikk til det., Hvis vi ønsker å vite hvor Big Bang kom fra, beskriver vi det i de beste betingelsene vi kan, og så theorize om hva som kan ha forårsaket det, og sette det opp. Vi ser etter bevis for å hjelpe oss å forstå the Big Bang ‘ s begynnelse. Tross alt, det er der alt kommer fra: fra prosessen som gav det sin start.

Men dette forutsetter noe som kanskje ikke er sant om Universet: at det faktisk hadde en begynnelse. For en lang tid, vitenskapelig, vi visste ikke om dette var sant eller ikke. Gjorde Universet har en begynnelse, eller en gang før som ingenting eksisterte?, Eller gjorde Universet eksisterer i en evighet, som en uendelig linje som strekker seg i begge retninger? Eller, ganske muligens, er vårt Univers syklisk som omkretsen av en sirkel, hvor det gjentar om og om igjen i det uendelige?

For en tid, var det flere konkurrerende ideer som var konsistent med observasjonene vi hadde.

1. En ekspanderende Universet kan ha sin opprinnelse fra et enkelt punkt — et arrangement i rom og tid — der hvor alle rom og tid dukket opp fra en singularitet.
2. Universet kan være å utvide i dag fordi det var kontrakter i det siste, og vil kontrakten igjen i fremtiden, presentere en oscillerende løsning.,
3. til Slutt, den ekspanderende Universet kan ha vært en evig tilstand, der plassen er i vekst nå og alltid hadde vært og alltid vil være, hvor nye saken er kontinuerlig opprettet for å holde konstant tetthet.

Disse tre eksemplene representerer de tre store valg: Universet hadde en enestående begynnelsen, Universet er syklisk i naturen, eller har Universet alltid eksistert. I 1960-årene, men et lavt nivå av mikrobølger ble funnet overalt over himmelen, endre historien for alltid.,

Denne strålingen var ikke akkurat den samme omfang overalt, men også de samme i alle retninger., På bare et par grader over absolutt null, det var konsistent med Universet dukker opp fra en tidligere, varme tett state, og kjøling som det utvidet.

Som forbedret teknologi og nye teknikker ført til bedre data, lærte vi at spekteret av denne strålingen hadde en bestemt form: som en nesten perfekt blackbody. En blackbody er hva du får hvis du har en perfekt absorbent av stråling varmet opp til en bestemt temperatur. Hvis Universet utvider seg og kjøler uten å endre dens entropi (dvs.,, adiabatically), noe som starter med en blackbody spekteret vil forbli en blackbody, selv som den kjøler. Denne strålingen var ikke bare er forenlig med å være leftover gløden fra Big Bang, men var i strid med alternativer som sliten lys eller reflektert stjernelys.

Ifølge Big Bang, Universets ble varmere, tettere, mer helhetlig og mindre i det siste., Det har bare de egenskapene vi ser i dag fordi det er blitt stadig større, kjøling, og opplever påvirkning av gravitasjon så lenge. Fordi bølgelengden til strålingen strekninger som Universet utvider seg, en mindre Universet må ha hatt stråling med kortere bølgelengder, noe som betyr at det hadde høyere energier og høyere temperaturer.

Milliarder av år siden, den gang var så varmt at selv nøytrale atomer kunne ikke form uten å bli sprengt fra hverandre., Enda tidligere enn det, i dag er mikrobølger var så energisk at de dominerte over saken så langt som Universet er energi-innhold var opptatt. I enda tidligere tider, atomic kjerner ble umiddelbart sprengt fra hverandre, og på stadig tidligere epoker, vi kunne ikke engang lage stabile protoner og nøytroner.

Hvis vi vurdere hele veien tilbake, til vilkårlig varme temperaturer, små avstander, og høye tettheter, vil du oppfatte at dette ville virkelig representere begynnelsen., Hvis du var villig til å stille klokken bakover så langt du kan, all den plassen som utgjør vår synlige Universet i dag ville være komprimert ned til et enkelt punkt.

Nå, det er sant at hvis du gikk til disse ekstreme forholdene, komprimere all materie og energi til stede i dagens Univers i et lite nok volum på plass, lover ville bryte ned. Du kan prøve å beregne ulike egenskaper, men du vil bare få tull for svar. Dette er hva vi beskriver som en singularitet: et sett med vilkår der tid og sted har ingen mening., Ved første øyekast, hvis du gjøre regnestykket, ser det ut til at en singularitet er uunngåelig, uavhengig av hva som dominerer Universet er energi-innhold.

Singularities er der loven om gravitasjon som styrer Universet — Einsteins Generelle Relativitetsteori — gir tull for spådommer. Relativitetsteorien, husk, er den teorien som beskriver tid og rom. Men på singularities, både romlige og temporale dimensjoner opphøre å eksistere. Å stille spørsmål som «hva som kom før denne hendelsen, hvor tiden begynte» er som nonsens som å spørre «hvor er jeg» hvis plassen ikke lenger eksisterer.,

dette er Faktisk den argument som mange gjør, inkludert Paul Davies, når de hevder at det kan være noen diskusjon om hva som skjedde før Big Bang. Dette er en tautology, selvfølgelig, hvis du hevder at Big Bang er der tid begynte. Men like interessant som dette argumentet er, vi vet at Big Bang er ikke hvor tiden begynte lenger. Siden den gang har vi gjort moderne, detaljerte målinger av kosmos, som vi har lært at dette ekstrapolering til en singularitet må være feil.,

I særdeleshet, mønstre og størrelsene på de svingninger som vi har oppdaget i moderne stråling igjen fra begynnelsen, varm, tett staten lære oss en rekke viktige egenskaper om vårt Univers. De lærer oss hvor mye saken var til stede i mørk materie, så vel som normal saken: protoner, nøytroner og elektroner., De gir oss en måling av Universets romlig kurvatur, så vel som tilstedeværelsen av mørk energi og virkninger av neutrinos.

Men de kan også fortelle oss noe livsviktig det er ofte oversett: de fortelle oss om det var en maksimal temperatur for Universet tilbake i sin tidligste stadier. I henhold til data fra WMAP og Planck, Universet aldri oppnådd en temperatur som er større enn ca 1029 K. Dette antallet er enormt, men det er over 1000 ganger mindre at temperaturene hadde vi trenger å representere en singularitet.,

De spesielle egenskapene i Universet som er trykt på det fra de tidligste stadiene gir et vindu inn i den fysiske prosesser som fant sted i disse tider. Ikke bare forteller de oss at vi kan ikke ekstrapolere Big Bang hele veien tilbake til en singularitet, men de forteller oss om tilstanden som eksisterte før (og sett) hot Big Bang: en periode av kosmisk inflasjon.,

i Løpet av inflasjon, var det en enorm mengde energi iboende plass til seg selv, noe som fører Universet til å utvide både raskt og nådeløst: på en eksponensiell pris. Denne perioden av inflasjon oppstått før hot Big Bang, satt opp den første vilkår at Universet begynte med, og til venstre en rekke unike spor som vi har søkt etter, og oppdaget etter teorien allerede hadde spådd dem. Av en beregning, inflasjon er en enorm suksess.,

Men dette alvorlig endrer våre oppfatninger av hvordan Universet begynte. Tidligere, jeg presentert en graf av hvordan størrelsen (eller skala) av Universet har utviklet seg med tiden. Grafen vises forskjellene mellom hvordan Universet vil utvide hvis det ble dominert av saken (i rødt), stråling (i blått), eller plassen i seg selv (for eksempel i inflasjon, i gult) på et tidlig tidspunkt. Men, jeg var ikke helt ærlig med deg i å vise at grafen.,

Du se, jeg har utelatt noe i den tidligere grafen, fordi jeg avkortet det på en positiv, begrenset tid. Med andre ord, jeg stoppet grafen før vi nådd en størrelse på null. Hvis jeg skulle fortsette å ekstrapolere bakover, materie og stråling kurver gjør faktisk nå en singularitet på et bestemt tidspunkt: t = 0. Det ville ha vært der den opprinnelige ideen om Big Bang skjedde. Men i en inflasjon Universet, du bare asymptoten til en størrelse på null, du aldri nå det. Ikke på et bestemt tidspunkt t=0, og ikke på noe tidlig tid, uansett hvor langt tilbake du går.,

Som mange store oppdagelser i vitenskap, fører dette til en slew av herlige nye spørsmål, blant annet:

1. Var inflasjonspress staten en konstant ett? Vi vet ikke om Universet oppblåst på samme pris overalt, eller om det oppblåst i lange perioder av gangen. Hvis Universet oppblåst på måter som endret seg svært raskt fra ett øyeblikk til det neste, varierende fra sted til sted, kan det fortsatt ha de egenskapene vi observere at det å ha i dag.
2. Gjorde inflasjonspress staten vare evig, gå bakover i tid?, Inflasjonen har absolutt potensial til å være en evig tilstand, tror vi i regioner der det ikke ende i en varm Big Bang, den fortsetter for evig i fremtiden. Men kunne det også ha vært evig til fortiden? Med ingenting som forbyr det, må vi vurdere muligheten.
3. inflasjon Er koblet til mørk energi, som også er en form for eksponensiell utvidelse? Selv om de er forskjellige i omfang og størrelse, på et tidlig stadium i kosmisk inflasjon og sen-fase mørk energi både gi samme matematiske form for Universets ekspansjon., Er disse to etapper i slekt, og vil våre fremtidige utvidelser øke i styrke og forynge vårt Univers, som en slags kosmisk syklus?

Observationally, vi vet ikke svaret på noen av disse spørsmålene. Universet, så langt som vi kan observere det, bare inneholder informasjon fra den endelige 10-33 sekunder eller så av inflasjon. Noe av det som hendte før det — som inneholder noe som ville fortelle oss hvordan-eller-hvis inflasjonen begynte, og hva dens varighet var — blir utslettet, så langt som det er observerbare for oss, etter arten av inflasjonen i seg selv.

i Teorien, har vi ikke kost mye bedre., Borde-Guth-Vilenkin teorem forteller oss at alle punkter i Universet, hvis du ekstrapolere tilbake langt nok, vil flette sammen, og at inflasjonen ikke kan beskrive en komplett romtid. Men det betyr ikke nødvendigvis at en oppblåsing tilstand kunne ikke ha varte evig; det kunne like gjerne innebære at våre nåværende regler i fysikk er ute av stand til å beskrive disse tidligste stadiene nøyaktig.

Selv om vi kan spore vår kosmiske historie helt tilbake til de tidligste stadiene av hot Big Bang, som ikke er nok til å svare på spørsmålet om hvordan (eller om) tid begynte., Kommer enda tidligere, til slutt-stadier av kosmisk inflasjon, kan vi lære hvordan Big Bang ble satt opp og begynte, men vi har ingen observerbar informasjon om hva som skjedde før det. Den endelige brøkdel av et sekund av inflasjon er der vår kunnskap ender.

Tusenvis av år etter at vi lagt ut de tre store muligheter for hvordan tid begynte — som har alltid eksistert, som etter å ha begynt en begrenset varighet siden i det siste, eller som en syklisk enhet — vi er ikke noe nærmere et endelig svar., Om tiden er begrenset, uendelig, eller sykliske er ikke et spørsmål om at vi har nok informasjon i vårt observerbare Univers til å svare. Med mindre vi ut en ny måte å få informasjon om dette dype, eksistensielle spørsmål, svaret kan alltid bli utover grensene for hva som er knowable.