Good Mood

wanneer we naar het universum van vandaag kijken, weten we met een buitengewone hoeveelheid wetenschappelijke zekerheid dat het niet gewoon werd gecreëerd zoals het is, maar geëvolueerd naar zijn huidige configuratie gedurende miljarden jaren van kosmische geschiedenis. We kunnen gebruiken wat we vandaag zien, zowel dichtbij als op grote afstand, om te extrapoleren hoe het universum lang geleden was, en om te begrijpen hoe het is geworden zoals het nu is.,

als we denken aan onze kosmische oorsprong, dan is het alleen maar menselijk om de meest fundamentele van alle mogelijke vragen te stellen: waar komt dit allemaal vandaan? Het is meer dan een halve eeuw geleden dat de eerste robuuste en unieke voorspellingen van de oerknal werden bevestigd, wat leidde tot ons moderne beeld van een universum dat begon in een hete, dichte staat zo ‘ n 13,8 miljard jaar geleden. Maar in onze zoektocht naar het begin, weten we al dat de tijd niet kon zijn begonnen met de oerknal. In feite had het misschien helemaal geen begin.,

wanneer we aan iets denken, passen we onze zeer menselijke logica toe., Als we willen weten waar de oerknal vandaan kwam, beschrijven we het in de beste termen die we kunnen, en dan theoretiseren we over wat de oerknal kan hebben veroorzaakt en opzetten. We zoeken naar bewijs om het begin van de oerknal te begrijpen. Immers, daar komt alles vandaan: van het proces dat het zijn start gaf.

maar dit veronderstelt iets dat misschien niet waar is over ons universum: dat het eigenlijk een begin had. Lange tijd wisten we wetenschappelijk niet of dit waar was of niet. Had het universum een begin, of een tijd voordat er niets bestond?, Of bestond het universum voor een eeuwigheid, als een oneindige lijn die zich uitstrekt in beide richtingen? Of, heel goed mogelijk, is ons universum cyclisch als de omtrek van een cirkel, waar het zich eindeloos herhaalt?

gedurende een tijd waren er meerdere concurrerende ideeën die allemaal consistent waren met de waarnemingen die we hadden.

1. een uitdijend universum kan zijn ontstaan uit een enkelvoudig punt — een gebeurtenis in de ruimtetijd — waar alle ruimte en tijd uit een singulariteit voortkwamen.
2. het heelal zou vandaag kunnen uitdijen omdat het in het verleden samentrekte, en in de toekomst opnieuw zal samentrekken, met een oscillerende oplossing.,
3. ten slotte zou het uitdijende universum een eeuwige staat kunnen zijn geweest, waar de ruimte nu uitdijt en altijd is geweest en altijd zal zijn, waar nieuwe materie voortdurend wordt gecreëerd om de dichtheid constant te houden.

Deze drie voorbeelden vertegenwoordigen de drie belangrijkste opties: het universum had een enkelvoudig begin, het universum is cyclisch van aard, of het universum heeft altijd bestaan. In de jaren ‘ 60, echter, een laag niveau van microgolfstraling werd gevonden overal in de lucht, het veranderen van het verhaal voor altijd.,

deze straling was niet alleen overal even groot, maar ook in alle richtingen hetzelfde., Op slechts een paar graden boven het absolute nulpunt, was het consistent met het universum dat uit een eerdere, hete dichte toestand kwam en afkoelde toen het uitdijde.aangezien verbeterde technologie en nieuwe technieken tot betere gegevens leidden, leerden we dat het spectrum van deze straling een bepaalde vorm had: die van een bijna perfect zwart lichaam. Een zwart lichaam is wat je krijgt als je een perfecte absorber van straling verwarmd tot een bepaalde specifieke temperatuur. Als het universum uitdijt en afkoelt zonder zijn entropie te veranderen (d.w.z., adiabatisch), iets dat begint met een blackbody spectrum zal een blackbody blijven, zelfs als het afkoelt. Deze straling was niet alleen consistent met de overgebleven gloed van de oerknal, maar was inconsistent met alternatieven zoals vermoeid licht of gereflecteerd sterrenlicht.

volgens de Big Bang was het heelal in het verleden heter, dichter, uniformer en kleiner., Het heeft alleen de eigenschappen die we vandaag zien omdat het al zo lang uitdijt, afkoelt en de invloed van zwaartekracht ervaart. Omdat de golflengte van straling zich uitstrekt als het heelal uitdijt, zou een kleiner universum straling moeten hebben met kortere golflengten, wat betekent dat het hogere energieën en hogere temperaturen had.

miljarden jaren geleden was het ooit zo heet dat zelfs neutrale atomen zich niet konden vormen zonder uit elkaar te worden geblazen., Zelfs eerder dan dat, was de huidige microgolfstraling zo energetisch dat ze de materie domineerden wat betreft de energie-inhoud van het universum. In nog vroegere tijden werden atoomkernen direct uit elkaar geschoten, en in nog vroegere, konden we niet eens stabiele protonen en neutronen maken.

als we de hele weg terug extrapoleren, naar willekeurig hoge temperaturen, kleine afstanden en hoge dichtheden, zou je aanvoelen dat dit echt gelijk zou zijn aan het begin., Als je bereid was om de klok zo ver mogelijk terug te draaien, zou alle ruimte die deel uitmaakt van ons zichtbare universum tot één punt worden samengeperst.

nu, het is waar dat als je naar deze extreme omstandigheden zou gaan, alle materie en energie die aanwezig is in het universum van vandaag samenpersen in een klein genoeg volume ruimte, de wetten van de fysica zouden breken. Je zou kunnen proberen om verschillende eigenschappen te berekenen, maar je zou alleen onzin krijgen voor antwoorden. Dit is wat we beschrijven als een singulariteit: een reeks voorwaarden waar tijd en ruimte geen betekenis hebben., Op het eerste gezicht, als je het uitrekent, lijkt het erop dat een singulariteit onvermijdelijk is, ongeacht wat de energie-inhoud van het universum domineert.

singulariteiten zijn waar de wet van de zwaartekracht die het universum beheerst — Einsteins algemene relativiteitstheorie — onzin oplevert voor voorspellingen. Relativiteit is de theorie die ruimte en tijd beschrijft. Maar bij singulariteiten houden zowel ruimtelijke als temporele dimensies op te bestaan. Vragen stellen als “wat kwam voor deze gebeurtenis waar de tijd begon” is net zo onzinnig als vragen “Waar ben ik” als de ruimte niet langer bestaat.,dit is inderdaad het argument dat velen maken, waaronder Paul Davies, wanneer ze beweren dat er geen discussie kan zijn over wat er voor de oerknal gebeurde. Dit is een tautologie, natuurlijk, als je beweert dat de oerknal is waar de tijd begon. Maar hoe interessant dit argument ook is, we weten dat de oerknal niet meer is waar de tijd begon. Sinds we moderne, gedetailleerde metingen van de kosmos hebben gedaan, hebben we geleerd dat deze extrapolatie naar een singulariteit verkeerd moet zijn.,

in het bijzonder leren de patronen en magnitudes van de fluctuaties die we hebben ontdekt in de moderne straling die overblijft uit die vroege, hete, dichte toestand ons een aantal belangrijke eigenschappen over ons universum. Ze leren ons hoeveel materie er aanwezig was in zowel donkere materie als normale materie: protonen, neutronen en elektronen., Ze geven ons een meting van de ruimtelijke kromming van het heelal, evenals de aanwezigheid van donkere energie en de effecten van neutrino ‘ s.

maar ze vertellen ons ook iets van vitaal belang dat vaak over het hoofd wordt gezien: ze vertellen ons of er een maximale temperatuur was voor het heelal in zijn vroegste stadia. Volgens de gegevens van WMAP en Planck, heeft het heelal nooit een temperatuur bereikt die hoger is dan ongeveer 1029 K. Dit aantal is enorm, maar het is meer dan 1000 keer kleiner dan de temperaturen die we nodig hebben om gelijk te staan aan een singulariteit.,

de specifieke eigenschappen van het universum die er vanaf de vroegste stadia op zijn ingeprent, geven een venster op de fysische processen die in die tijd plaatsvonden. Niet alleen vertellen ze ons dat we de oerknal niet helemaal terug naar een singulariteit kunnen extrapoleren, maar ze vertellen ons ook over de staat die bestond vóór (en opgezet) de hete oerknal: een periode van kosmische inflatie.,tijdens de inflatie was er een enorme hoeveelheid energie inherent aan de ruimte zelf, waardoor het heelal zowel snel als meedogenloos uitdijde: met een exponentiële snelheid. Deze periode van inflatie vond plaats voorafgaand aan de hete oerknal, het opzetten van de eerste voorwaarden dat ons universum begon met, en liet een reeks unieke afdrukken die we zochten en ontdekt nadat de theorie ze al had voorspeld. Hoe dan ook, inflatie is een enorm succes.,

maar dit verandert onze opvattingen over hoe het universum begon ernstig. Eerder presenteerde ik jullie een grafiek van hoe de grootte (of schaal) van het universum evolueerde met de tijd. De grafiek toont de verschillen tussen hoe het heelal zou uitdijen als het gedomineerd zou worden door materie (in rood), straling (in blauw), of ruimte zelf (zoals tijdens inflatie, in geel) op vroege tijden. Maar ik was niet helemaal eerlijk met je in het weergeven van die grafiek.,

zie je, Ik heb iets in de vorige grafiek weggelaten, omdat ik het op een positieve, eindige tijd heb afgekapt. Met andere woorden, Ik stopte de grafiek voordat we een grootte van nul bereikten. Als ik doorga om terug te extrapoleren, bereiken de materie – en stralingskrommen inderdaad een singulariteit op een bepaald moment: t = 0. Daar zou het oorspronkelijke idee van de oerknal zijn ontstaan. Maar in een inflatoir universum heb je slechts asymptoot tot een grootte van nul; je bereikt het nooit. Niet op een bepaald tijdstip van t = 0, en niet op een vroeg tijdstip, hoe ver je ook teruggaat.,

net als vele grote ontdekkingen in de wetenschap leidt dit tot een reeks prachtige nieuwe vragen, waaronder:

1. Was de inflatoire toestand constant? We weten niet of het universum overal met dezelfde snelheid is opgeblazen, of dat het voor lange perioden is opgeblazen. Als het universum opgeblazen werd op een manier die heel snel veranderde van het ene moment op het andere, variërend van locatie tot locatie, zou het nog steeds de eigenschappen kunnen hebben die we nu waarnemen.hield de inflatoire staat eeuwig stand, ging hij achteruit in de tijd?, Inflatie heeft zeker het potentieel om een eeuwige staat te zijn; we geloven in de regio ‘ s waar het niet eindigt in een hete oerknal, maar eeuwig doorgaat in de toekomst. Maar zou het ook eeuwig geweest zijn in het verleden? Met niets dat het verbiedt, moeten we de mogelijkheid overwegen.
2. is inflatie verbonden met donkere energie, die ook een vorm van exponentiële Expansie is? Hoewel ze verschillend zijn in omvang en omvang, geven de vroege kosmische inflatie en de late donkere energie beide dezelfde wiskundige vorm voor de expansie van het universum., Zijn deze twee stadia gerelateerd, en zal onze toekomstige expansie in kracht toenemen en ons universum verjongen, als een soort kosmische cyclus?

observationeel weten we het antwoord op deze vragen niet. Het universum, voor zover we het kunnen waarnemen, bevat alleen informatie van de laatste 10-33 seconden of zo van inflatie. Alles wat daarvoor gebeurde-inclusief alles dat ons zou vertellen hoe-of-als inflatie begon en wat de duur ervan was — wordt weggevaagd, voor zover waarneembaar voor ons, door de aard van inflatie zelf.

theoretisch gaat het niet veel beter., De stelling van Borde-Guth-Vilenkin vertelt ons dat alle punten in het universum, als je ver genoeg extrapoleert, samen zullen smelten, en dat inflatie geen volledige ruimtetijd kan beschrijven. Maar dat betekent niet noodzakelijkerwijs dat een opgeblazen toestand niet eeuwig zou kunnen duren; het zou net zo gemakkelijk kunnen impliceren dat onze huidige regels van de fysica niet in staat zijn om deze vroegste stadia nauwkeurig te beschrijven.

hoewel we onze kosmische geschiedenis kunnen herleiden tot de vroegste stadia van de hete oerknal, is dat niet genoeg om de vraag te beantwoorden hoe (of of) de tijd begon., Nog eerder, naar de eindstadia van kosmische inflatie, kunnen we leren hoe de oerknal werd opgezet en begon, maar we hebben geen waarneembare informatie over wat er daarvoor gebeurde. De laatste fractie-van-een-seconde van inflatie is waar onze kennis eindigt.duizenden jaren nadat we de drie belangrijkste mogelijkheden voor hoe de tijd begon — als altijd bestaan, als een eindige tijd geleden begonnen in het verleden, of als een cyclische entiteit — we zijn niet dichter bij een definitief antwoord., Of de tijd eindig, oneindig of cyclisch is, is niet een vraag die we binnen ons waarneembare universum voldoende informatie hebben om te beantwoorden. Tenzij we een nieuwe manier vinden om informatie te krijgen over deze diepe, existentiële vraag, kan het antwoord voor altijd buiten de grenzen van wat kenbaar is.