SLOBODA JE ODGOVORNOST

25. studenoga 2021.

SLOBODA JE ODGOVORNOST

JE LI VELIKI PRASAK UISTINU POČETAK SVEMIRA?

Nekad smo mislili da Veliki prasak znači da je svemir započeo iz singularnosti. Skoro 100 godina kasnije, nismo toliko sigurni.

Moderna kozmička slika povijesti našeg svemira ne počinje s singularnošću koju poistovjećujemo s Velikim praskom, već s razdobljem kozmičke inflacije koje proteže svemir do golemih razmjera, s ujednačenim svojstvima i prostornom ravnošću. Kraj inflacije označava početak vrućeg Velikog praska. (Zasluge: Nicole Rager Fuller/Nacionalna znanstvena zaklada)

Suvremena kozmička slika povijesti našeg svemira ne počinje singularnošću koju poistovjećujemo s Velikim praskom, već razdobljem kozmičke inflacije koja proteže svemir do ogromnih razmjera, s jednoličnim svojstvima i prostornom ravninom. Kraj inflacije označava početak vrućeg Velikog praska. (Zasluge: Nicole Rager Fuller/Nacionalna zaklada za znanost)

KLJUČNI ODNOSI

Veliki prasak nas uči da je naš sve širi, hladniji svemir u prošlosti bio mlađi, gušći i topliji. Međutim, ekstrapoliranje sve do singularnosti dovodi do predviđanja koja se ne slažu s onim što promatramo. Umjesto toga, kozmička inflacija prethodila je i postavila Veliki prasak, zauvijek promijenivši našu priču o kozmičkom podrijetlu.

Odakle je sve ovo došlo? U svakom smjeru koji želimo promatrati nalazimo zvijezde, galaksije, oblake plina i prašine, tanku plazmu i zračenje koje se proteže rasponom valnih duljina: od radija do infracrvenog zraka do vidljive svjetlosti do gama zraka. Bez obzira gdje i kako gledali na svemir, on je pun materije i energije apsolutno svugdje i u svako doba. Pa ipak, prirodno je pretpostaviti da je sve to odnekud došlo. Ako želite znati odgovor na najveće pitanje od svih – pitanje našeg kozmičkog podrijetla – morate postaviti pitanje samom svemiru i slušati što vam govori.

Danas se svemir kakvim ga vidimo širi, rarificira (postaje sve manje gust) i hladi se. Iako je u iskušenju jednostavno ekstrapolirati naprijed u vremenu, kada će stvari biti još veće, manje guste i hladnije, zakoni fizike dopuštaju nam da jednako lako ekstrapoliramo unatrag. Davno je svemir bio manji, gušći i topliji. Koliko unatrag možemo uzeti ovu ekstrapolaciju? Matematički, primamljivo je otići što je dalje moguće: sve do beskonačno malih veličina i beskonačnih gustoća i temperatura, ili onoga što znamo kao singularnost. Ova ideja, jedinstvenog početka prostora, vremena i svemira, dugo je bila poznata kao Veliki prasak.

No, fizički, kad smo pogledali dovoljno dobro, otkrili smo da je svemir ispričao drugačiju priču. Evo kako znamo da Veliki prasak više nije početak svemira.

Izvršeno je bezbroj znanstvenih testova Einsteinove opće teorije relativnosti, podvrgavajući tu ideju nekim od najstrožih ograničenja koja je čovječanstvo ikada postiglo. Einsteinovo prvo rješenje bilo je za granicu slabog polja oko jedne mase, poput Sunca; te je rezultate primijenio na naš Sunčev sustav s dramatičnim uspjehom. Vrlo brzo nakon toga je pronađeno pregršt točnih rješenja. ( Zasluge : znanstvena suradnja LIGO, T. Pyle, Caltech/MIT)

Kao i većina priča u znanosti, podrijetlo Velikog praska ima korijene i u teoretskom i u eksperimentalnom/promatračkom području. Što se tiče teorije, Einstein je 1915. iznio svoju opću teoriju relativnosti: novu teoriju gravitacije koja je nastojala srušiti Newtonovu teoriju univerzalne gravitacije. Iako je Einsteinova teorija bila daleko zamršenija i složenija, nije prošlo mnogo vremena dok su pronađena prva točna rješenja.

Godine 1916. Karl Schwarzschild je pronašao rješenje za točkastu masu koja opisuje nerotirajuću crnu rupu.

1917. Willem de Sitter pronašao je rješenje za prazan svemir s kozmološkom konstantom, koji opisuje eksponencijalno širi svemir.

Od 1916. do 1921., Reissner-Nordströmova otopina, koju su neovisno pronašla četiri istraživača, opisivala je prostor-vrijeme za nabijenu, sferno simetričnu masu.

Godine 1921. Edward Kasner pronašao je rješenje koje je opisalo anizotropni svemir bez materije i zračenja: različit u različitim smjerovima.

1922. Alexander Friedmann otkrio je rješenje za izotropni (isti u svim smjerovima) i homogen (isti na svim mjestima) svemir, gdje su prisutne sve vrste energije, uključujući materiju i zračenje.

Ilustracija naše kozmičke povijesti, od Velikog praska do danas, u kontekstu svemira koji se širi. Prva Friedmannova jednadžba savršeno točno opisuje sve ove epohe, od inflacije do Velikog praska do sadašnjosti i daleko u budućnost, čak i danas. ( Zasluge : znanstveni tim NASA -e/WMAP -a)

Taj posljednji bio je vrlo uvjerljiv iz dva razloga. Jedan je da se činilo da opisuje naš svemir na najvećim mjerilima, gdje se stvari u prosjeku pojavljuju svugdje i u svim smjerovima. I drugo, ako riješite vladajuće jednadžbe za ovo rješenje – Friedmannove jednadžbe – otkrili biste da svemir koji opisuje ne može biti statičan, već se mora proširiti ili skupiti.

Ovu posljednju činjenicu prepoznali su mnogi, uključujući Einsteina, ali je nisu shvaćali posebno ozbiljno sve dok to nisu počeli potvrđivati ​​opservacijski dokazi. 1910 -ih godina astronom Vesto Slipher počeo je promatrati određene magline, za koje su neki tvrdili da bi mogle biti galaksije izvan našeg Mliječnog puta, te je otkrio da se kreću brzo: daleko brže od bilo kojih drugih objekata u našoj galaksiji. Štoviše, većina ih se udaljavala od nas, sa slabijim, manjim maglinama koje su se općenito činile da se brže kreću.

Zatim je 1920 -ih Edwin Hubble počeo mjeriti pojedine zvijezde u tim maglinama i na kraju odredio udaljenost do njih. Ne samo da su bili mnogo udaljeniji od bilo čega drugog u galaksiji, već su se i oni na većim udaljenostima udaljavali brže od bližih. Kako su se Lemaître, Robertson, Hubble i drugi brzo spojili, svemir se širio.

Originalni prikaz udaljenosti galaksije od Edwina Hubblea prema crvenom pomaku (lijevo), uspostavljajući svemir koji se širi, u odnosu na moderniji pandan od otprilike 70 godina kasnije (desno). U skladu s opažanjem i teorijom, svemir se širi. ( Zasluge : E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004.)

Georges Lemaître prvi je to 1927. prepoznao. Otkrivši širenje, ekstrapolirao je unatrag, teoretizirajući – kao što bi to mogao svaki kompetentan matematičar – da se možete vratiti koliko god želite: do onoga što je nazvao iskonskim atomom. Shvatio je da je u početku svemir bio vruća, gusta i brzo rastuća zbirka tvari i zračenja, a sve oko nas izrodilo je iz ovog iskonskog stanja.

Ovu su ideju kasnije razvili drugi kako bi napravili niz dodatnih predviđanja:

Svemir, kakav danas vidimo, razvijeniji je nego što je bio u prošlosti. Što dalje gledamo u svemir, to dalje gledamo i kroz vrijeme. Dakle, objekti koje tada vidimo trebali bi biti mlađi, manje gravitacijski zgusnuti, manje masivni, s manje teških elemenata i sa manje razvijenom strukturom. Čak bi trebala postojati točka iza koje nije bilo zvijezda ili galaksija.

Zračenje je u nekom trenutku bilo toliko vruće da se neutralni atomi nisu mogli stabilno formirati, jer bi zračenje pouzdano izbacilo sve elektrone iz jezgri na koje su se pokušali vezati, pa bi trebalo ostati zaostala – sada hladna i rijetka – kupka kozmičkog zračenja iz ovog vremena.

U neko iznimno rano vrijeme bilo bi toliko vruće da bi čak i atomske jezgre bile razorene, što znači da je postojala rana, predzvjezdana faza u kojoj bi se dogodila nuklearna fuzija: nukleosinteza Velikog praska. Od toga očekujemo da je postojala barem populacija svjetlosnih elemenata i njihovih izotopa koji su se raširili po svemiru prije nego što su nastale zvijezde.

Vizualna povijest svemira koji se širi uključuje vruće, gusto stanje poznato kao Veliki prasak te naknadni rast i formiranje strukture. Cijeli niz podataka, uključujući opažanja svjetlosnih elemenata i kozmičke mikrovalne pozadine, ostavlja samo Veliki prasak kao valjano objašnjenje za sve što vidimo. ( Zasluge : NASA/CXC/M. Weiss)

Zajedno s sve većim svemirom, ove četiri točke postale bi kamen temeljac Velikog praska. Rast i evolucija svemirske strukture velikih razmjera, pojedinačnih galaksija i zvjezdanih populacija koje se nalaze unutar tih galaksija potvrđuju predviđanja Velikog praska. Otkriće zračne kupelji samo ~ 3 K iznad apsolutne nule – u kombinaciji sa spektrom crnog tijela i temperaturnim nedostacima na razinama mikrokelvina od nekoliko desetaka do stotina – bio je ključni dokaz koji je potvrdio Veliki prasak i eliminirao mnoge njegove najpopularnije alternative. Otkriće i mjerenje lakih elemenata i njihovih omjera-uključujući vodik, deuterij, helij-3, helij-4 i litij-7-otkrilo je ne samo koja se vrsta nuklearne fuzije dogodila prije formiranja zvijezda,

Ekstrapolacija unatrag koliko vas vaši dokazi mogu odvesti ogroman je uspjeh za znanost. Fizika koja se dogodila u najranijim fazama vrućeg Velikog praska utisnula se u svemir, omogućujući nam da testiramo naše modele, teorije i razumijevanje svemira iz tog vremena. Najraniji otisak koji je uočljiv, zapravo, je kozmička neutrinska pozadina, čiji se učinci pokazuju i u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini (preostalo zračenje Velikog praska) i u strukturi svemira velikih razmjera. Ova pozadina neutrina dolazi nam, izvanredno, od samo ~ 1 sekunde do vrućeg Velikog praska.

Da nema oscilacija uslijed interakcije materije s zračenjem u svemiru, ne bi se vidjelo micanje ovisno o razmjeru u grupiranju galaksija. Sama vrckanja, prikazana s oduzetim dijelom koji se ne vrti (dolje), ovise o utjecaju kozmičkih neutrina za koje se pretpostavlja da su prisutni u Velikom prasku. Standardna kozmologija Velikog praska odgovara β = 1. ( Zasluge : D. Baumann i sur., Priroda fizike, 2019.)

No ekstrapoliranje izvan granica vaših mjerljivih dokaza opasna je, iako primamljiva igra za igru. Uostalom, ako možemo pratiti vrući Veliki prasak unatrag nekih 13,8 milijardi godina, pa sve do vremena kada je svemir bio star manje od 1 sekunde, kakva je šteta vratiti se samo još jednu sekundu unatrag: do predviđene singularnosti postoji kad je svemir bio star 0 sekundi?

Odgovor je, iznenađujuće, da postoji ogromna količina štete – ako ste poput mene kada smatrate da je “iznošenje neutemeljenih, netočnih pretpostavki o stvarnosti” štetno. Razlog zašto je ovo problematično je to što će početak u singularnosti – na proizvoljno visokim temperaturama, proizvoljno visokim gustoćama i proizvoljno malim volumenima – imati posljedice na naš svemir koje nisu nužno podržane opažanjima.

Na primjer, ako je svemir započeo iz singularnosti, tada je morao nastati s točno pravom ravnotežom “stvari” u njemu – tvari i energije zajedno – kako bi se točno uravnotežila brzina širenja. Da je bilo samo malo više materije, svemir koji se u početku širio već bi se već vratio. A da ih je bilo malo manje, stvari bi se proširile tako brzo da bi svemir bio mnogo veći nego što je danas.

Da je svemir imao samo nešto veću gustoću (crveno), već bi se ponovno vratio; da je imao samo nešto manju gustoću, proširio bi se mnogo brže i postao mnogo veći. Veliki prasak, sam za sebe, ne nudi objašnjenje zašto početna brzina širenja u trenutku rođenja svemira tako savršeno uravnotežuje ukupnu gustoću energije, ne ostavljajući uopće prostora za prostornu zakrivljenost. ( Zasluge : Vodič za kozmologiju Ned Wrighta)

Pa ipak, umjesto toga, ono što promatramo je da početna brzina širenja svemira i ukupna količina tvari i energije u njemu balansiraju onoliko savršeno koliko možemo mjeriti.

Zašto?

Ako je Veliki prasak počeo iz singularnosti, nemamo objašnjenje; jednostavno moramo ustvrditi “svemir je nastao na ovaj način”, ili, kako ga fizičari koji ne znaju za Lady Gagu to zovu, “početni uvjeti”.

Slično, za svemir koji je dosegao proizvoljno visoke temperature očekivalo bi se da ima ostatke visokoenergetskih relikvija, poput magnetskih monopola, ali ih ne opažamo. Također bi se očekivalo da će svemir imati različite temperature u regijama koje su uzročno odvojene jedna od druge – tj. U suprotnim su smjerovima u svemiru na našim granicama promatranja – pa ipak se opaža da svemir ima posvuda jednake temperature do 99,99%+ preciznost.

Uvijek smo slobodni apelirati na početne uvjete kao objašnjenje za bilo što i reći: “pa, svemir je nastao na ovaj način, i to je to.” Ali nas, kao znanstvenike, uvijek zanima mnogo više ako možemo doći do objašnjenja svojstava koja promatramo.

Na gornjoj ploči naš moderni svemir svugdje ima ista svojstva (uključujući temperaturu) jer potječu iz regije koja ima ista svojstva. U srednjoj ploči, prostor koji je mogao imati proizvoljnu zakrivljenost napuhan je do točke u kojoj danas ne možemo promatrati nikakvu zakrivljenost, rješavajući problem ravnine. Na donjoj ploči napuhavaju se već postojeći relikvi s visokom energijom, pružajući rješenje problema relikvija s visokom energijom. Ovako inflacija rješava tri velike zagonetke koje Veliki prasak ne može sam objasniti. ( Zasluge : E. Siegel/Beyond the Galaxy)

To je upravo ono što nam daje kozmička inflacija, plus više. Inflacija kaže, svakako, ekstrapolirajte vrući Veliki prasak na vrlo rano, vrlo vruće, vrlo gusto, vrlo jednolično stanje, ali zaustavite se prije nego što se vratite sve do singularnosti. Ako želite da svemir ima brzinu širenja i ukupnu količinu tvari i energije u ravnoteži, trebat će vam neki način da ga postavite na taj način. Isto vrijedi i za svemir s istim temperaturama posvuda. Na malo drugačiji način, ako želite izbjeći visokoenergetske relikvije, potreban vam je neki način da se riješite svih postojećih, a zatim izbjegnete stvaranje novih tako što ćete svom svemiru ponovno zagrijati.

Inflacija to postiže postavljanjem razdoblja prije vrelog Velikog praska, u kojem je svemirom dominirala velika kozmološka konstanta (ili nešto što se ponaša slično): isto rješenje koje je de Sitter pronašao još 1917. Ova faza rasteže svemir stan, daje mu svuda ista svojstva, rješava se svih već postojećih relikvija visoke energije i sprječava nas u stvaranju novih ograničavanjem maksimalne temperature postignute nakon što inflacija prestane i uslijedi vrući Veliki prasak. Nadalje, pretpostavljajući da su tijekom inflacije kvantne fluktuacije nastale i rastegnute po svemiru, ona daje nova predviđanja s kojim bi vrstama nesavršenosti svemir počeo.

Kvantne fluktuacije koje se javljaju tijekom inflacije rastežu se po svemiru, a kada inflacija prestane, postaju fluktuacije gustoće. To s vremenom dovodi do strukture velikih razmjera u svemiru danas, kao i do fluktuacija temperature uočenih u CMB-u. Nova predviđanja poput ovih bitna su za dokazivanje valjanosti predloženog mehanizma za fino podešavanje. (Zasluge: E. Siegel; ESA/Planck i Međuagencijska radna skupina DOE/NASA/NSF za istraživanje CMB -a)

Budući da je postavljena hipoteza još 1980 -ih, inflacija je na različite načine testirana protiv alternative: svemira koji je započeo iz singularnosti. Kad složimo tablicu rezultata, nalazimo sljedeće:

Inflacija reproducira sve uspjehe vrućeg Velikog praska; ne postoji ništa što vrući Big Bang može objasniti tom inflacijom.

Inflacija nudi uspješna objašnjenja zagonetki za koje jednostavno moramo reći “početni uvjeti” u vrelom Velikom prasku.

Od predviđanja u kojima se inflacija i vrući veliki prasak bez inflacije razlikuju, četiri su testirane na dovoljnu preciznost da razlikuju to dvoje. Na ta četiri fronta inflacija je 4 za 4, dok je vrući Veliki prasak 0 za 4.

No stvari postaju doista zanimljive ako se osvrnemo na našu ideju o “početku”. Dok se svemir s materijom i/ili zračenjem – što dobivamo vrućim Velikim praskom – uvijek može ekstrapolirati natrag u singularnost, inflatorni svemir ne može. Zbog svoje eksponencijalne prirode, čak i ako sat pokrećete unatrag beskonačno mnogo vremena, prostor će se približiti samo beskonačno malim veličinama i beskonačnim temperaturama i gustoćama; nikada neće doći do njega. To znači da, umjesto da neizbježno vodi do singularnosti, inflacija vas apsolutno ne može dovesti do jedne. Ideju da je “svemir započeo iz singularnosti, a to je bio Veliki prasak”, trebalo je poništiti onog trenutka kada smo prepoznali da je inflatorna faza prethodila vrućoj, gustoj i materiji ispunjenoj zračenjem koju danas živimo.

Plave i crvene linije predstavljaju “tradicionalni” scenarij Velikog praska, gdje sve počinje u trenutku t = 0, uključujući i sam prostor -vrijeme. Ali u inflatornom scenariju (žuto) nikada ne postižemo singularnost, gdje prostor prelazi u singularno stanje; umjesto toga, u prošlosti može samo proizvoljno postati mali, dok vrijeme nastavlja ići zauvijek unatrag. Samo posljednji mali djelić sekunde, od kraja inflacije, utiskuje se u naš današnji promatrani svemir. (Zasluge: E. Siegel)

Ova nova slika daje nam tri važne informacije o početku svemira koje su u suprotnosti s tradicionalnom pričom koju je većina nas naučila. Prvo, izvorni pojam vrućeg Velikog praska, gdje je svemir nastao iz beskrajno vruće, guste i male singularnosti – i od tada se širi i hladi, pun materije i zračenja – nije točan. Slika je i dalje u velikoj mjeri točna, ali postoji granica do koje mjere je možemo ekstrapolirati u prošlost.

Drugo, opažanja su dobro ustanovila stanje koje se dogodilo prije vrelog Velikog praska: kozmičku inflaciju. Prije vrelog Velikog praska, rani svemir prošao je fazu eksponencijalnog rasta, gdje su sve postojeće komponente svemira doslovno bile “napuhane”. Kad je inflacija završila, svemir se ponovno zagrijao na visoku, ali ne proizvoljno visoku temperaturu, dajući nam vruć, gust i svemir koji se širi i koji je prerastao u ono što danas živimo.

Na kraju, i možda najvažnije, više ne možemo govoriti s bilo kakvim znanjem ili pouzdanjem o tome kako je – pa čak i o tome – je li sam svemir nastao. Po samoj prirodi inflacije, ona briše sve informacije koje su došle prije posljednjih nekoliko trenutaka: gdje je završila i dovela do našeg vrelog Velikog praska. Inflacija je mogla trajati čitavu vječnost, mogla je prethoditi neka druga nesingularna faza, ili joj je mogla prethoditi faza koja je ipak izašla iz singularnosti. Dok ne dođe dan u kojem otkrijemo kako iz svemira izvući više informacija nego što se trenutno čini mogućim, nemamo drugog izbora nego se suočiti sa svojim neznanjem. Veliki prasak se još uvijek dogodio jako davno, ali to nije bio početak koji smo nekad pretpostavljali.

Izvor//Autor: BigThink //Ethan Siegel

Prijašnja objava

TREBAJU LI DRŽAVNI DUŽNOSNICI ODGOVARATI ZA SUKOB INTERESA?!

Slijedeća objava

NEZDRAVI MEĐULJUDSKI ODNOSI

Možda će Vas interesirati i ovo:

FRANCUSKI OBIČAJ ZA PREZNIK RADA

U Francuskoj je običaj da se 1. maja prijateljima i obitelji daruje mali stručak đurđica za sreću. Običaj potječe iz 16. stoljeća, još od Karla IX., koji je jednog 1. maja dobio stručak za sreću. […]

VIROVITICA – turistički biser Slavonije

Virovitica je grad duge povijesti, smješten na važnim prometnim pravcima; na mjestu gdje se slikovita Bilogora pretapa u plodnu Panonsku ravnicu, gdje Slavonija grli Podravinu, gdje se čuju i ‘kaj’ i ‘što’. Grad je to, […]