Každoročně po dobu šesti měsíců mají trvale tmavé a větrné pláně jižní polární ledové čepice průměrnou teplotu asi 58 stupňů Fahrenheita pod nulou. V létě, kdy se slunce vrací na svůj šestiměsíční den, ledovcový terén je stěží přitažlivější a teploty stoupají na -20 stupňů. Není to místo, které by se většina z nás rozhodla navštívit.
Související obsah
- Sledujte vývoj vesmíru přes 13 miliard let
- Velký nález „gravitační vlny“ může mít ve skutečnosti jen prach
- Věda o pondělní velké „gravitační vlně“ vysvětlená za dvě minuty
- Nový kosmický objev by mohl být nejblíže, ke které jsme přišli na začátek času
Ale pokud jste astronom, který hledá sbírku fotonů, které se k nám vysílaly hned po Velkém třesku, pak temná sektorová laboratoř jižního pólu je tím, čím se Met setkává s operou nebo stadionem Yankee na baseball. Je to nejlepší místo pro praktikování vašeho obchodu. Díky nejchladnějšímu a nejsuššímu vzduchu na Zemi umožňuje atmosféra fotonům cestovat prakticky bez překážek a poskytuje tak nejostřejší vesmírné snímky, jaké kdy byly pořízeny.
Po dobu tří let tým astronomů vedený výzkumníkem Harvard-Smithsonian John Kovac odvážil elementy, aby namířily brawny dalekohled známý jako Bicep2 (zkratka pro méně eufonní pozadí Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) na skvrně jižní oblohy. V březnu tým zveřejnil své výsledky. Pokud by tyto závěry obstály, otevřou velkolepé nové okno o nejranějších okamžicích vesmíru a zaslouží si patřit mezi nejdůležitější kosmologické nálezy minulého století.
Je to příběh, jehož kořeny lze vysledovat až k příběhům raného stvoření, jejichž cílem je uspokojit prvotní touhu pochopit náš původ. Ale vyprávím příběh později - s objevem Alberta Einsteina o obecné teorii relativity, matematickém základu prostoru, času a moderního kosmologického myšlení.
Ohnisková rovina dalekohledu Bicep2, znázorněná pod mikroskopem, byla vyvinuta Jet Propulsion Laboratory NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Gravitační vlny protažené inflací vytvářejí slabý, ale výrazný vzorec, nazývaný signál v režimu B, zachycený Bicep2. (BICEP2) 
Během nafouknutí (ukázáno vlevo) se gravitační síla tlačila ven a protahovala vesmír v malém zlomku sekundy. (WMAP) Dalekohled Bicep2, zobrazený za soumraku, dosáhl první detekce předpovězené gravitační vlnové struktury, oznámil tým. (Steffen Richter / Harvardská univerzita) Pokřivený prostor velkému třesku
V raných letech 20. století Einstein přepsal pravidla prostoru a času svou speciální teorií relativity. Do té doby se všichni všichni drželi newtonovské perspektivy - intuitivní perspektivy - v níž prostor a čas poskytují neměnnou arénu, ve které se odehrávají události. Ale jak to Einstein popsal, na jaře roku 1905 se v jeho mysli uvolnila bouře, přívalový liják matematického vhledu, který zametl Newtonovu univerzální arénu. Einstein přesvědčivě tvrdil, že neexistuje univerzální čas - hodiny v pohybu tikají pomaleji - a není tu žádný vesmírný prostor - pravítka v pohybu jsou kratší. Absolutní a neměnná aréna ustoupila prostoru a času, které byly poddajné a flexibilní.
Z tohoto úspěchu se Einstein znovu obrátil k ještě strmější výzvě. Po více než dvě století provedl Newtonův univerzální gravitační zákon působivou práci při předpovídání pohybu všeho od planet po komety. I tak však existovala skládačka, kterou sám Newton artikuloval: Jak gravitace uplatňuje svůj vliv? Jak Slunce ovlivňuje Zemi přes 93 milionů mil v podstatě prázdného prostoru? Newton poskytl manuál majitele, který matematicky adeptům umožnil vypočítat účinek gravitace, ale nedokázal hodit kapuci a odhalil, jak gravitace dělá to, co dělá.
Při hledání odpovědi se Einstein zapojil do desetileté posedlosti, vyčerpávající odysea skrze tajemnou matematiku a kreativní lety fyzické fantazie. V roce 1915 jeho genialita prošla finálními rovnicemi obecné teorie relativity a nakonec odhalila mechanismus, který je základem gravitační síly.
Odpověď? Prostor a čas. Prostor a čas, který již byl unaven ze svých newtonovských opor o speciální relativitu, se v plné míře promítl do života v obecné relativitě. Einstein ukázal, že jak pokřivená dřevěná podlaha může bouchnout do mramorového mramoru, prostor a čas se mohou samy deformovat a natahovat pozemská a nebeská těla, aby sledovaly trajektorie, které byly dlouho přisuzovány vlivu gravitace.
Nicméně abstraktní formulace, obecná relativita učinila definitivní předpovědi, z nichž některé byly rychle potvrzeny astronomickými pozorováními. Toto inspirovalo matematicky orientované myslitele z celého světa, aby prozkoumali podrobné důsledky teorie. Byl to práce belgického kněze Georgesa Lemaîtreho, který také držel doktorát z fyziky, což posílilo příběh, který sledujeme. V 1927, Lemaître aplikoval Einsteinovy rovnice obecné relativity ne na objekty uvnitř vesmíru, jako hvězdy a černé díry, ale na celý vesmír sám. Výsledek Lemaîtreho srazil na paty. Matematika ukázala, že vesmír nemohl být statický: Tkanina prostoru se buď protahovala, nebo stahovala, což znamenalo, že vesmír se buď zmenšoval, nebo zmenšoval.
Když Lemaître upozornil Einsteina na to, co našel, Einstein se posmíval. Myslel si, že Lemaître posouvá matematiku příliš daleko. Einstein si byl tak jistý, že vesmír jako celek byl věčný a neměnný, že nejen odmítl matematické analýzy, které by naopak svědčily, ale vložil do svých rovnic skromný dodatek, aby zajistil, že matematika vyhoví jeho předsudkům.
A předsudek to byl. V roce 1929 astronomická pozorování Edwina Hubblea pomocí výkonného dalekohledu na observatoři Mount Wilson odhalily, že vzdálené galaxie se řítí pryč. Vesmír se rozšiřuje. Einstein si dal na čelo eufemistický facku, pokárání za nedůvěryhodné výsledky vycházející z jeho vlastních rovnic a přizpůsobil své myšlení - a jeho rovnice - údajům.
Velký pokrok, samozřejmě. Nové poznatky však přinášejí nové hádanky.
Jak zdůraznil Lemaître, pokud se nyní prostor rozšiřuje, pak při navíjení kosmického filmu obráceně docházíme k závěru, že pozorovatelný vesmír byl stále menší, hustší a žhavější stále zpět v čase. Zdánlivě nevyhnutelný závěr je, že vesmír, který vidíme, vyšel z fenomenálně malé skvrny, která vybuchla a poslala vesmírný otok směrem ven - to, co nyní nazýváme Velký třesk.
Ale pokud je to pravda, co poslalo otoky prostoru? A jak lze takový výstřední návrh vyzkoušet?
Inflační teorie
Pokud se vesmír vynořil z ohnivého horkého a intenzivně hustého pravěkého atomu, jak to Lemaître nazval, vesmír by se měl vesmírem ochladit. Výpočty provedené na George Washington University ve 40. letech a později na Princetonu v 60. letech 20. století ukázaly, že zbytkové teplo velkého třesku se projevuje jako koupel fotonů (částeček světla) rovnoměrně vyplňující prostor. Teplota fotonů by nyní klesla na pouhé 2, 7 stupně nad absolutní nulou a umístila by jejich vlnovou délku do mikrovlnné části spektra - což vysvětluje, proč se tato možná relikvie Velkého třesku nazývá kosmické mikrovlnné záření pozadí.
V roce 1964 byli dva vědci Bell Labs, Arno Penzias a Robert Wilson, na konci rozumu, frustrovaní velkou pozemní anténou určenou pro satelitní komunikaci. Bez ohledu na to, kam nasměrovali anténu, narazili na noční můru audiofilu: nepřetržité syčení na pozadí. Po měsíce hledali, ale nedokázali najít zdroj. Potom Penzias a Wilson zachytili vítr z kosmologických výpočtů prováděných v Princetonu, což naznačuje, že by měl být nízkoúrovňový radiační výplňový prostor. Výzkumníci si uvědomili, že nepřetržitý syčivý zvuk vychází z fotonů Velkého třesku lechtajících anténní přijímač. Tento objev získal Penzia a Wilsona za Nobelovu cenu v roce 1978.
Výskyt teorie velkého třesku prudce stoupal, což vedlo vědce k tomu, aby teorii oddělili, hledali neočekávané důsledky a možné slabosti. Objevilo se několik důležitých otázek, ale nejdůležitější bylo také to nejdůležitější
základní.
Velký třesk je často popisován jako moderní vědecká teorie stvoření, matematická odpověď na Genesis. Tato představa však zakrývá zásadní klam: Teorie Velkého třesku nám neříká, jak začal vesmír. Říká nám, jak se vesmír vyvíjel a začalo malou zlomek vteřiny poté, co to všechno začalo. Jak se převinutý kosmický film přiblíží k prvnímu snímku, matematika se zhroutí a uzavře čočku právě v okamžiku, kdy se událost vytvoření chystá zaplnit obrazovku. A tak, pokud jde o vysvětlení samotného třesku - prvotního tlaku, který musel položit vesmír po jeho expanzivním kurzu - teorie Teorie velkého třesku mlčí.
Bylo by na mladém postdoktorandovi na katedře fyziky Stanfordské univerzity Alan Guth, aby učinil zásadní krok k zaplnění této mezery. Guth a jeho spolupracovník Henry Tye z Cornell University se snažili porozumět tomu, jak by se v nejranějších okamžicích vesmíru mohly vytvořit určité hypotetické částice zvané monopoly. Ale počítá hluboko do noci 6. prosince 1979, Guth vzala práci jiným směrem. Uvědomil si, že rovnice nejen ukázaly, že obecná relativita zaplnila zásadní mezeru v newtonovské gravitaci - poskytující gravitační mechanismus - také odhalila, že gravitace se může chovat neočekávaně. Podle Newtona (a každodenních zkušeností) je gravitace přitažlivá síla, která přitahuje jeden objekt k druhému. Rovnice ukazovaly, že v Einsteinově formulaci může být také gravitace odpudivá.
Gravitace známých předmětů, jako je Slunce, Země a Měsíc, je jistě atraktivní. Matematika však ukázala, že jiný zdroj, ne shluk hmoty, ale místo toho energie ztělesněná v poli rovnoměrně vyplňujícím oblast, by vytvořil gravitační sílu, která by tlačila ven. A divoce ano. Region, který je přes pouhou miliardtinu miliardtinu miliardtinu centimetru, naplněný vhodným energetickým polem - zvaným inflatonové pole - by byl odtržen silnou odpudivou gravitací, která by se mohla ve zlomku natahovat k tak velkému jako pozorovatelný vesmír. sekundy.
A to by se právem nazývalo ranou. Velký třesk.
S následnými zdokonaleními Guthovy počáteční implementace odpudivé gravitace vědci včetně Andrei Lindeho, Paula Steinhardta a Andrease Albrechta se zrodila inflační teorie kosmologie. Věrohodný návrh na to, co zapálilo vnější otok prostoru, byl konečně na stole teoretiků. Ale je to tak?
Testování inflace
Na první začervenání by se mohlo zdát bláznovo vyznání hledat potvrzení teorie, která zdánlivě fungovala na nepatrný zlomek sekundy před téměř 14 miliardami let. Jistě, vesmír se nyní rozšiřuje, takže něco to na prvním místě nastavilo. Je však dokonce možné si ověřit, že byl způsoben silným, ale krátkým zábleskem odpudivé gravitace?
To je. A tento přístup opět využívá mikrovlnného záření pozadí.
Chcete-li získat pocit, jak, představte si, že na povrch vypuštěného balónu napíšete malou zprávu, příliš malou na to, aby ji někdo přečetl. Poté balón vyhoďte. Jak se táhne, vaše zpráva se také roztáhne a stane se viditelnou. Podobně, pokud by vesmír zažil dramatické inflační protahování, pak by se malé nebeské otisky stanovené během nejranějších okamžiků vesmíru protáhly po obloze, možná by je také zviditelnily.
Existuje proces, který by vtiskl malé poselství do raného vesmíru? Kvantová fyzika odpovídá jasným ano. Přichází na princip nejistoty, který Werner Heisenberg v roce 1927 zdokonalil. Heisenberg ukázal, že mikrosvět je předmětem nevyhnutelných „kvantových nervozit“, které znemožňují současně specifikovat určité rysy, jako je poloha a rychlost částice. U polí, které zatěžují prostor, zásada nejistoty ukazuje, že síla pole podléhá také kvantovým chvěním, což způsobuje, že se jeho hodnota v každém místě kroutí nahoru a dolů.
Desetiletí experimentů na mikrorealmu potvrdilo, že kvantové nervozity jsou skutečné a všudypřítomné; jsou neznámí pouze proto, že výkyvy jsou příliš malé na to, aby byly přímo pozorovány v každodenním životě. Což je místo, kde se inflační roztažení vesmíru osamostatňuje.
Stejně jako u vaší zprávy na rozšiřujícím se balónu, pokud by vesmír podstoupil úžasnou expanzi navrženou inflační teorií, pak by se do makrosvětu natáhly nepatrné kvantové nervozity v inflatonovém poli - pamatujte, že je to pole zodpovědné za odpudivou gravitaci. To by mělo za následek, že energie pole bude v některých místech větší a v jiných menší.
Na druhé straně by tyto změny energie měly dopad na kosmické mikrovlnné záření v pozadí, kde by se teplota v některých místech poněkud zvýšila a v jiných by byla poněkud nižší. Matematické výpočty ukazují, že kolísání teploty bude malé - asi 1 díl ze 100 000. Ale - a to je klíčové - změny teploty vyplní určitý statistický vzorec po obloze.
Na začátku 90. let tyto řady teplotních variací hledala řada stále propracovanějších pozorovacích podniků - pozemní, balónové a kosmické dalekohledy. A našel je. Ve skutečnosti existuje dechberoucí shoda mezi teoretickými předpovědi a pozorovacími údaji.
A s tím si možná myslíte, že inflační přístup byl potvrzen. Ale jako komunita jsou fyzici asi tak skeptičtí jako skupina, s jakou se kdy setkáte. V průběhu let navrhli některá alternativní vysvětlení údajů, zatímco jiní vyvolali různé technické výzvy pro samotný inflační přístup. Inflace zůstávala zdaleka hlavní kosmologickou teorií, ale mnozí cítili, že kouřící zbraň ještě nebyla nalezena.
Do teď.
Vlnky v látce prostoru
Stejně jako pole uvnitř vesmíru podléhají kvantovým nervozím, kvantová nejistota zajišťuje, že i samotný prostor by měl podléhat kvantovým nervozím. Což znamená, že prostor by se měl vlnit jako povrch vroucího hrnce s vodou. To je neznámé ze stejného důvodu, že se žulová deska zdá hladká, i když její povrch je protkán mikroskopickými nedokonalostmi - vlnění se děje na mimořádně malých měřítcích. Ale opět, protože inflační expanze táhne kvantové prvky do makrorealmu, teorie předpovídá, že drobné vlnění se vynoří do mnohem delších vln v prostorové struktuře. Jak bychom odhalili tyto vlnky nebo prapůvodní gravitační vlny, jak jsou vhodněji nazývány? Potřetí je všudypřítomná relikvie Velkého třesku, kosmické mikrovlnné záření v pozadí, lístek.
Výpočty ukazují, že gravitační vlny by vtiskly kroucení do pozadí záření, což je ikonický otisk inflační expanze. (Přesněji řečeno, záření pozadí vychází z kmitání v elektromagnetickém poli; směr těchto kmitů, známý jako polarizace, se zkroucuje v důsledku gravitačních vln.) Detekce takových vírů v pozadí záření se již dlouho ctí jako zlatý standard pro stanovení inflační teorie, dlouho hledaná kuřácká zbraň.
12. března, tisková zpráva slibující „hlavní objev“, vydaná Harvard-Smithsonianským střediskem pro astrofyziku, severoamerickou pozemní kontrolou mise Bicep2, vyslala dechové fámy, které se chrlily celosvětovou fyzikální komunitou. Možná se našly víry? Na tiskové konferenci 17. března se zvěsti potvrdily. Po více než roce pečlivé analýzy dat tým Bicep2 oznámil, že dosáhl první detekce předpovězené gravitační vlny.
Subtílné víry v datech shromážděných na jižním pólu svědčí o kvantových třesech vesmíru, protažených inflační expanzí a proplétajících se počátkem vesmíru.
Co to všechno znamená?
Případ inflační teorie nyní zesílil a v kosmologii překonal století otřesů. Teď nejenže víme, že vesmír se rozšiřuje, nejen že máme důvěryhodný návrh na to, co zapálilo expanzi, zjišťujeme otisk kvantových procesů, které lechtaly prostor během ohnivé první zlomky sekundy.
Ale jako jeden z těch skeptických fyziků, i když ten, kdo je také vzrušující, mi dovolte uzavřít s určitým kontextem přemýšlení o tomto vývoji.
Tým Bicep2 odvedl hrdinskou práci, ale plná důvěra v jeho výsledky bude vyžadovat potvrzení nezávislými týmy vědců. Nebudeme muset dlouho čekat. Konkurenti společnosti Bicep2 také sledovali mikrovlnné víry. Během jednoho roku, možná méně, některé z těchto skupin mohou ohlásit své nálezy.
Jisté je, že současné a budoucí mise poskytnou stále propracovanější údaje, které posílí inflační přístup. Mějte na paměti, že inflace je paradigma, ne jedinečná teorie. Teoretici nyní implementovali základní myšlenku bang-as-odpudivé gravitace ve stovkách způsobů (různé počty inflatonových polí, různé interakce mezi těmito poli atd.), Přičemž každý z nich obecně poskytoval mírně odlišné předpovědi. Data Bicep2 již významně věděla o životaschopných modelech a připravovaná data budou v tomto procesu pokračovat.
To vše přispívá k mimořádnému času pro inflační teorii. Ale je tu ještě větší lekce. S výjimkou nepravděpodobné možnosti, že s lepšími měřeními víry zmizí, máme nyní nové pozorovací okno na kvantové procesy v časném vesmíru. Data Bicep2 ukazují, že k těmto procesům dochází na stupnici vzdálenosti více než bilionkrát menší, než je tomu u našeho nejsilnějšího urychlovače částic, Large Hadron Collider. Před několika lety jsem společně se skupinou vědců vzal jeden z prvních vpádů do výpočtu, jak by naše špičkové teorie ultra-malé, jako je teorie strun, mohly být testovány s pozorováním mikrovlnného pozadí. Nyní, s tímto bezprecedentním skokem do mikrorealmu, si dokážu představit, že rafinovanější studie tohoto druhu mohou ohlašovat další fázi našeho chápání gravitace, kvantové mechaniky a našeho kosmického původu.
Inflace a multiverse
Nakonec mi dovolte vyřešit problém, kterému jsem se dosud opatrně vyhnul, který je stejně úžasný jako spekulativní. Možným vedlejším produktem inflační teorie je, že náš vesmír nemusí být jediný vesmír.
V mnoha inflačních modelech je inflatonové pole natolik efektivní, že i po podnícení odpudivého tlaku našeho Velkého třesku je pole připraveno pohánět další velký třesk a další. Každý třesk dává svou vlastní expandující říši, s tím, že náš vesmír je zařazen do jedné z mnoha. Ve skutečnosti se u těchto modelů inflační proces obvykle ukáže jako nekonečný, je věčný, a tak přináší neomezený počet vesmírů osídlujících velký vesmírný multiverse.
S důkazy o kumulativním inflačním paradigmatu je lákavé dospět k závěru, že by měla vzrůst i důvěra v multiverse. I když jsem s touto perspektivou soucitný, situace není zdaleka jasná. Kvantové fluktuace přinášejí nejen variace v daném vesmíru - hlavním příkladem jsou variace na pozadí mikrovlny, o nichž jsme diskutovali -, ale také znamenají variace mezi samotnými vesmíry. A tyto variace mohou být významné. V některých inkarnacích teorie se mohou ostatní vesmíry lišit i v druzích částic, které obsahují, a silách, které fungují.
V této nesmírně rozšířené perspektivě reality je úkolem formulovat to, co inflační teorie skutečně předpovídá. Jak vysvětlíme, co zde vidíme v tomto vesmíru? Musíme vyvozovat, že naše forma života nemohla existovat v různých prostředích většiny ostatních vesmírů, a proto se nacházíme zde - kontroverzní přístup, který zasahuje některé vědce jako vyřazování? Jde tedy o to, že s věčnou verzí inflace, která vytváří tolik vesmírů, z nichž každý má odlišné rysy, má teorie schopnost podkopat náš samotný důvod pro důvěru v samotnou inflaci.
Fyzici pokračují v boji s těmito mezerami. Mnozí věří, že se jedná o pouhé technické výzvy k inflaci, které budou včas vyřešeny. Mám sklon souhlasit. Vysvětlující balíček inflace je tak pozoruhodný a jeho nejpřirozenější předpovědi jsou tak pozoruhodně zarovnány s pozorováním, že se zdá být téměř příliš krásné na to, aby se mýlilo. Dokud se však nerozřeší jemnosti vyvolané multivesmírem, je rozumné vyhradit si konečný úsudek.
Pokud je inflace správná, vizionáři, kteří vyvinuli teorii, a průkopníci, kteří potvrdili její předpovědi, si zaslouží Nobelovu cenu. Přesto by byl příběh ještě větší. Úspěchy v této velikosti přesahují jednotlivce. Pro všechny z nás by byl okamžik hrdosti a divu, že naše kolektivní tvořivost a vhled odhalila některá z nejhlubších tajemství vesmíru.
