Universumilla oli alku. Mutta mistä se alkoi? Mitä sinusta tuli alussa? Tiedämme, että kaikki alkoi melko nopealla laajenemisella ja päättyi suuren määrän galaksien ilmestymiseen pienistä hiukkasista. Mutta mitä tapahtui ennen sitä? Mitkä olivat fysiikan lait, kun kaikki alkoi? Kuuluisat fyysikot James Hartl ja Stephen Hawking tarjosivat useita vastauksia näihin kysymyksiin useita vuosikymmeniä sitten. Toisen fyysikkoryhmän uusi työ analysoi Hawkingin ja Hartlen suosittua tulkintaa Big Bang -geometriasta ja joutui vaikeuksiin. Nämä tulokset valaisevat maailmankaikkeuden alkamisen ongelmaa. Uusi este, joka kaikkien tulevaisuuden teorioiden on voitettava.
"Yritimme tehdä tarkemman laskelman ja saimme toisenlaisen ratkaisun", kertoo Perimeter-instituutin asuva jatko-opiskelija Job Feldbrügge. "Käytämme teoria valaisee uutta teoriaa ja osoittaa, että se ei ehkä toimi odotetulla tavalla."
Tutkijat yrittävät yleensä ymmärtää maailmankaikkeuden alkua katsomalla Einsteinin painovoiman lakeja, joita kutsutaan yleiseksi suhteellisuusteollisuudeksi, ja toistamalla niitä taaksepäin. Loppujen lopuksi he haluavat päästä pisteeseen, jossa maailmankaikkeus oli hyvin pieni. Mutta mielenkiintoisimmat kysymykset heräävät siitä, miltä nuori universumi näytti, oliko se riittävän pieni tottelemaan pienimpiä hiukkasia, atomeja ja fotoneja hallitsevia kvanttimekaniikan lakeja.
On olemassa useita tapoja aloittaa maailmankaikkeus kuten meidän. Ehkä, Hawking ja Hartle ajattelivat, että tämä tiivistetty maailmankaikkeus oli vain yksi avaruuspiste, jolla oli erityinen kvanttitila, ns. Aaltofunktio, joka kuvaa kaiken kvanttimekaniikan kielellä. Sitten aika tuli. Filosofian ja uskonnon on puhuttava paljon tästä aiheesta, mutta matemaatikot tarvitsevat vain kynää ja paperia. Tämä pistemäinen universumi kehittyi yleisen suhteellisuusteoriaan liittyvästä matematiikasta ja rakenteeseensa rakennettiin kvanttimekaniikan alkuperäiset ominaisuudet. Niinpä näistä pienistä satunnaisista energian vaihteluista avaruudessa olisi pitänyt nopean laajenemisen - inflaation - aikana muuttua suuriksi tiheyseroiksi, joita havaitsemme modernissa maailmankaikkeudessa, galakseilla ja tyhjillä alueilla. Hawkingin ja Hartlen teoria oli yksi monista tavoista merkitä maailmankaikkeuden alku ilman singulariteettia, nollan tilavuuden pistettä ja ääretöntä massaa, jolla ei ollut paljon järkeä. Muut ajatukset, kuten Alexander Vilenkinin ehdottamat, eivät tarkoita tätä alkuperäistä singulariteettia.
Uusi artikkeli, joka ilmestyi äskettäin arXiv preprint -palvelimessa, tuo ongelman. Laskemalla Hawkingin, Hartlesin ja Vilenkinin matematiikasta uusi tiimi ei saanut pieniä kvanttivaihteluja, joita tarvitaan tämän päivän maailmankaikkeuden luomiseen. Sen sijaan nämä vaihtelut ovat jättimäisiä ja luovat maailmankaikkeuden, joka on täysin erilainen kuin meidän.
"Laskelmat, jotka olemme suorittaneet, johtavat voimakkaisiin painovoima-aaltoihin Ison räjähdyksen jälkeen", Feldbrugge sanoo - valtavat vaihtelut itse aika-ajan muodossa.”Se ei voinut johtaa sellaiseen maailmankaikkeuteen kuin nykyään. Laskelmat ovat ristiriidassa näkemämme kanssa."
Hartl ei ole erityisen huolissaan Feldbruggen tiimin tuloksista. "Kosmologiassa meillä on edelleen liian vähän tietoja verrattuna siihen, mitä se olisi voinut olla", hän sanoo. "Joten teemme parhaamme tukemaan teoriaa, joka parhaiten sopii havaintoihimme." Hän näkee uuden teoksen toisena yrityksenä kääntää peli ympäri tarjoamalla lisätietoja ja erilainen matemaattinen polku, jota tutkijat voivat seurata. "Tutkijoilla on oikeus valita, jatkavatko ne tätä vai muuta ajatusta."
Hänen tiiminsä julkaisi myös äskettäin toisen paperin, jossa tarkistettiin hänen omaa matematiikkaansa ja osoitettiin, miksi hänen teoriansa toimii edelleen.
Mainosvideo:
Silti Feldbruggen ja hänen tiiminsä matematiikka näyttää osoittavan, että universumin sujuva ulkonäkö ilman erillisyyttä ei "ole vaihtoehto". Heidän matematiikansa kiistävät suoraan Hartlen ja Hawkingin.
Kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteollisuuden yhdistäminen maailmankaikkeuden alun selittämiseen ei ole uutta eikä melkein ratkaistu. Itse asiassa tämä on yksi suurimmista ongelmista, joita teoreettiset fyysikot yrittävät ratkaista, kun otetaan huomioon sen merkitys maailmankaikkeuden alkuperän ymmärtämiselle, kun molempia lakeja sovelletaan samassa mittakaavassa, ja merkitys mustille aukoille, joissa painovoima on niin voimakas, että valo ei voi jättää häntä.
Mutta mikä tärkeintä, Feldbrugge ei usko, että kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteollisuuden laeista alkanut maailmankaikkeus voisi luoda pieniä vaihteluita, jotka johtavat meidän kaltaiseen maailmankaikkeuteen - hänen mielestään täytyy olla jotain muuta. "On epäselvää, mikä ratkaisu on viimeinen vaihtoehto", hän sanoo.
Fyysikkojen mielipiteet tästä asiasta ovat hyvin erilaisia. Princetonin yliopiston fysiikan professori Paul Steinhardt sanoo, että on jo olemassa vaihtoehtoisia tapoja välttää ongelmat uudessa työssä, samoin kuin muita valituksia Hawking-Hartle-mallista. Tämä niin sanottu rajaton malli vaatii joitain matemaattisia kiertotapoja luomaan meidän kaltaisen maailmankaikkeuden.
Mikä on vaihtoehto? Pomppu ilman singulariteettia”, hän sanoo viitaten malliin, jonka hän on kehittänyt Princeton-pohjaisen teoreettisen kosmologin Anna Idjasin kanssa. Tämän mallin mukaan maailmankaikkeus romahtaa ja avautuu sitten omaksi universumiksemme kauan ennen kuin voidaan alkaa miettiä kvanttimekaniikan vaikutuksia.
Frankfurtin syventävien tutkimuslaitosten tutkija Sabine Hossenfelder ei ole varma uusista tuloksista. Ainoa asia, jonka voin päätellä, on, että emme tienneet, kuinka maailmankaikkeus alkoi ennen tämän teoksen kirjoittamista. Ja emme tienneet sitä tämän teoksen julkaisemisen jälkeen”. Teoreetikot ottavat matematiikan vakavasti ja ovat tehneet nämä laskelmat ajan ja tilan kanssa kauan ennen kuin teleskoopit vahvistavat ne. Ainoa tapa tietää varmasti, mitä tapahtuu, on kokeilu.
Nykyään suurin osa näistä teorioista voidaan vahvistaa tai kumota havainnoilla vanhimmasta meille tulleesta valosta, kosmisesta mikroaaltotaustasta. Tutkijat toivovat, että heidän teorioidensa oivallukset auttavat eristämään tärkeät allekirjoitukset näistä tiedoista.
Onko mahdollista tarkistaa Feldbruggen ja hänen tiiminsä työ? He ovat vasta aloittamassa. Ilmeisesti tarkistaminen kestää kauan. Tutkijoiden on lopulta luotava maailmankaikkeus, joka muistuttaa meidän. Mutta tämän prosessin yksityiskohtia ei ole vielä määritelty.
ILYA KHEL