Good Mood

När vi tittar på universum idag vet vi med en extraordinär mängd vetenskaplig säkerhet att det inte bara skapades som det är, utan utvecklades till dess nuvarande konfiguration över miljarder år av kosmisk historia. Vi kan använda det vi ser idag, både i närheten och på stora avstånd, för att extrapolera hur universum var för länge sedan, och för att förstå hur det kom att bli som det är nu.,

När vi tänker på vårt kosmiska ursprung är det bara mänskligt att ställa de mest grundläggande av alla möjliga frågor: Var kom allt detta ifrån? Det har varit mer än ett halvt sekel sedan de första robusta och unika förutsägelserna av Big Bang bekräftades, vilket ledde till vår moderna bild av ett universum som började från ett varmt, tätt tillstånd för cirka 13,8 miljarder år sedan. Men i vår strävan efter början vet vi redan att tiden inte kunde ha börjat med Big Bang. Faktum är att det kanske inte hade någon början alls.,

När vi tänker på någonting tillämpar vi vår mycket mänskliga logik på den., Om vi vill veta var Big Bang kom ifrån, beskriver vi det på bästa sätt vi kan, och sedan teoretisera om vad som kunde ha orsakat det och ställa upp det. Vi letar efter bevis som hjälper oss att förstå Big Bangs början. Det är trots allt där allt kommer ifrån: från den process som gav den sin start.

men detta förutsätter något som kanske inte är sant om vårt universum: att det faktiskt hade en början. Under en lång tid, vetenskapligt, visste vi inte om detta var sant eller inte. Hade universum en början, eller en tid för vilken ingenting existerade?, Eller existerade universum i en evighet, som en oändlig linje som sträcker sig i båda riktningarna? Eller kanske är vårt universum cykliskt som omkretsen av en cirkel, där det upprepas om och om igen på obestämd tid?

för en tid fanns det flera konkurrerande idéer som alla överensstämde med de observationer vi hade.

1. ett expanderande universum kunde ha sitt ursprung från en singulär punkt — en händelse i rymdtid — där allt utrymme och tid uppstod från en singularitet.
2. universum kunde expandera idag eftersom det kontraherade tidigare och kommer att kontraktera igen i framtiden och presentera en oscillerande lösning.,
3. slutligen kunde det expanderande universum ha varit ett evigt tillstånd, där rymden expanderar nu och alltid hade varit och alltid skulle vara, där ny Materia kontinuerligt skapas för att hålla densiteten konstant.

dessa tre exempel representerar de tre stora alternativen: universum hade en singulär början, universum är cykliskt i naturen, eller universum har alltid funnits. På 1960-talet hittades dock en låg nivå av mikrovågsstrålning överallt över himlen och förändrade historien för alltid.,

denna strålning var inte bara samma storlek överallt, men också densamma i alla riktningar., På bara några grader över absolut noll var det förenligt med universum som uppstod från ett tidigare, varmt tätt tillstånd och kylning när det expanderade.

eftersom förbättrad teknik och nya tekniker ledde till bättre data lärde vi oss att spektrumet av denna strålning hade en viss form: en nästan perfekt svartkropp. En svartkropp är vad du får om du har en perfekt absorberare av strålning uppvärmd till en viss specifik temperatur. Om universum expanderar och kyler utan att ändra sin entropi (dvs,, adiabatiskt), något som börjar med en svartkroppsspektrum kommer att förbli en svartkropp, även när den svalnar. Denna strålning var inte bara överensstämmande med att vara den överblivna glöd från Big Bang, men var oförenlig med alternativ som trött ljus eller reflekterade starlight.

enligt Big Bang var universum varmare, tätare, mer enhetligt och mindre tidigare., Det har bara de egenskaper vi ser idag eftersom det har expanderat, kylt och upplevt gravitationens inflytande så länge. Eftersom strålningens våglängd sträcker sig när universum expanderar, borde ett mindre universum ha haft strålning med kortare våglängder, vilket innebär att det hade högre energier och högre temperaturer.

För miljarder år sedan var det en gång så varmt att även neutrala atomer inte kunde bildas utan att sprängas isär., Ännu tidigare än så var dagens mikrovågsstrålning så energisk att de dominerade över materia när det gäller universums energiinnehåll. Vid ännu tidigare tillfällen sprängdes atomkärnor omedelbart isär, och vid fortfarande tidigare kunde vi inte ens skapa stabila protoner och neutroner.

om vi extrapolerar hela vägen tillbaka, till godtyckligt heta temperaturer, små avstånd och höga densiteter, skulle du intuit att detta verkligen skulle motsvara början., Om du var villig att köra klockan bakåt så långt du kunde, skulle allt utrymme som utgör vårt synliga universum idag komprimeras till en enda punkt.

nu är det sant att om du gick till dessa extrema förhållanden, komprimerar all materia och energi som finns i dagens universum till en tillräckligt liten mängd utrymme, skulle fysikens lagar bryta ner. Du kan försöka beräkna olika egenskaper, men du skulle bara få nonsens för svar. Detta är vad vi beskriver som en singularitet: en uppsättning villkor där tid och rum inte har någon betydelse., Vid första anblicken, om du gör matten, verkar det som om en singularitet är oundviklig, oavsett vad som dominerar universums energiinnehåll.

singulariteter är där gravitationslagen som styr universum — Einsteins allmänna relativitet — ger nonsens för förutsägelser. Relativitet, kom ihåg, är teorin som beskriver utrymme och tid. Men vid singulariteter upphör både rumsliga och tidsmässiga dimensioner att existera. Att ställa frågor som ”vad kom före denna händelse där tiden började” är lika meningslöst som att fråga ”Var är jag” om rymden inte längre existerar.,

det här är faktiskt argumentet som många gör, inklusive Paul Davies, när de hävdar att det inte kan diskuteras vad som hände före Big Bang. Det här är en tautologi, självklart, om du hävdar att Big Bang är där tiden började. Men lika intressant som det här argumentet är, vet vi att Big Bang inte är där tiden började längre. Ända sedan vi gjort moderna, detaljerade mätningar av kosmos, har vi lärt oss att denna extrapolering till en singularitet måste vara fel.,

i synnerhet de mönster och magnituder av de fluktuationer som vi har upptäckt i den moderna strålningen kvar från det tidiga, heta, täta tillståndet lär oss ett antal viktiga egenskaper om vårt universum. De lär oss hur mycket materia som fanns i mörk materia såväl som normal Materia: protoner, neutroner och elektroner., De ger oss en mätning av universums rumsliga krökning, liksom närvaron av mörk energi och effekterna av neutriner.

men de berättar också något mycket viktigt som ofta förbises: de berättar om det fanns en Maximal temperatur för universum tillbaka i sina tidigaste skeden. Enligt data från WMAP och Planck uppnådde universum aldrig en temperatur större än ca 1029 K. detta nummer är enormt, men det är över 1000 gånger mindre att temperaturerna vi skulle behöva jämföra med en singularitet.,

universums särskilda egenskaper som är präglade på det från de tidigaste stadierna ger ett fönster i de fysiska processer som ägde rum vid den tiden. Inte bara säger de oss att vi inte kan extrapolera Big Bang hela vägen tillbaka till en singularitet, men de berättar om staten som existerade före (och inrättade) den heta Big Bang: en period av kosmisk inflation.,

under inflationen var det en enorm mängd energi som var inneboende för rymden själv, vilket fick universum att expandera både snabbt och obevekligt: i exponentiell takt. Denna inflationsperiod inträffade före hot Big Bang, satte upp de ursprungliga förhållandena som vårt universum började med och lämnade en serie unika avtryck som vi sökte efter och upptäckte efter att teorin redan hade förutsagt dem. Med någon metrisk är inflationen en enorm framgång.,

men detta förändrar allvarligt våra uppfattningar om hur universum började. Tidigare presenterade jag dig en graf över hur universums storlek (eller skala) utvecklades med tiden. Grafen visade skillnaderna mellan hur universum skulle expandera om det dominerades av materia (i rött), strålning (i blått) eller rymden själv (som under inflationen, i gult) vid tidiga tider. Men jag var inte helt ärlig mot dig när jag visade den grafen.,

du ser, jag utelämnade något i den tidigare grafen, eftersom jag trunkerade den vid en positiv, ändlig tid. Med andra ord stoppade jag grafen innan vi nådde en storlek på noll. Om jag skulle fortsätta att extrapolera bakåt, når materien och strålningskurvorna verkligen en singularitet vid en viss tidpunkt: t = 0. Det skulle ha varit där den ursprungliga idén om Big Bang inträffade. Men i ett inflationärt universum, du bara asymptote till en storlek på noll; du når aldrig det. Inte vid en viss tid av t=0, och inte vid någon tidig tid, oavsett hur långt tillbaka du går.,

liksom många stora upptäckter inom vetenskapen leder detta till en massa härliga nya frågor, inklusive:

1. var inflationstillståndet konstant? Vi vet inte om universum blåses upp i samma takt överallt, eller om det blåses upp under långa perioder. Om universum blåses upp på sätt som förändrats mycket snabbt från ett ögonblick till nästa, varierar från plats till plats, kan det fortfarande ha de egenskaper vi observerar att ha idag.
2. varade inflationstillståndet för alltid och gick bakåt i tiden?, Inflationen har verkligen potential att vara ett evigt tillstånd.vi tror på de regioner där det inte slutar med en het Big Bang, det fortsätter evigt in i framtiden. Men kan det också ha varit evigt för det förflutna? Med inget som förbjuder det måste vi överväga möjligheten.
3. är inflationen kopplad till mörk energi, vilket också är en form av exponentiell expansion? Även om de är olika i skala och storlek, ger den tidiga kosmiska inflationen och den sena scenen mörka energin samma matematiska form för universums expansion., Är dessa två steg relaterade, och kommer vår framtida expansion att öka i styrka och föryngra vårt universum, som någon form av kosmisk cykel?

observationellt vet vi inte svaret på någon av dessa frågor. Universum, så långt vi kan observera det, innehåller bara information från de sista 10-33 sekunderna eller så av inflationen. Allt som inträffade före det-vilket inkluderar allt som skulle berätta för oss hur-eller — om inflationen började och vad dess varaktighet var-blir utplånat, så långt som det är observerbart för oss, av själva inflationens natur.

teoretiskt sett klarar vi inte mycket bättre., Borge-Guth-Vilenkin teorem berättar att alla punkter i universum, om du extrapolerar tillbaka tillräckligt långt, kommer att slå samman, och att inflationen inte kan beskriva en komplett rymdtid. Men det betyder inte nödvändigtvis att ett uppblåsande tillstånd inte kunde ha varat för alltid. det kan lika enkelt innebära att våra nuvarande fysikregler inte kan beskriva dessa tidigaste steg exakt.

Även om vi kan spåra vår kosmiska historia hela vägen tillbaka till de tidigaste stadierna av hot Big Bang, räcker det inte för att svara på frågan om hur (eller om) tiden började., Att gå ännu tidigare, till slutfaserna av kosmisk inflation, kan vi lära oss hur Big Bang bildades och började, men vi har ingen observerbar information om vad som inträffade före det. Den sista bråkdelen av inflationen är där vår kunskap slutar.

tusentals år efter att vi lagt fram de tre stora möjligheterna för hur tiden började-som alltid har funnits, som att ha börjat en ändlig varaktighet sedan tidigare, eller som en cyklisk enhet — Vi är inte närmare ett definitivt svar., Huruvida tiden är ändlig, oändlig eller cyklisk är inte en fråga som vi har tillräckligt med information inom vårt observerbara universum för att svara. Om vi inte räknar ut ett nytt sätt att få information om denna djupa, existentiella fråga, kan svaret för alltid vara bortom gränserna för vad som är känt.