В продължение на шест месеца всяка година тъмните и ветровита равнини на южната полярна ледена шапка имат средна температура от около 58 градуса по Фаренхайт под нулата. През лятото, когато слънцето се завръща за шестмесечния си ден, ледниковият терен едва ли става по-приканващ, като температурите се покачват до минус 20 градуса. Не видът, който повечето от нас биха избрали да посетят.
Свързано съдържание
- Гледайте Вселената да се развива над 13 милиарда години
- Голямата „Гравитационна вълна“, която открива, може всъщност да е била само прах
- Науката за голямата "гравитационна вълна" в понеделник се обясни за две минути
- Едно ново космическо откритие може да бъде най-близкото, което сме стигнали до началото на времето
Но ако сте астроном, който търси колекция от фотони, които текат към нас след малко след Големия взрив, тогава лабораторията на тъмния сектор на Южния полюс е това, което Met е за опера или от стадион на Янки за бейзбол. Това е главното място за практикуване на вашата търговия. С най-студения и най-сух въздух на земята атмосферата позволява фотоните да пътуват практически безпрепятствено, осигурявайки най-острите космически базирани космически изображения, правени някога.
В продължение на три години екип от астрономи, ръководен от изследователя от Харвард-Смитсонов Джон Ковач, хвърли елементите, за да насочи мускулест телескоп, известен като Bicep2 (съкращение за по-малко еуфоничното фоново изобразяване на космическата екстрагалактична поляризация) в кръпка на южното небе. През март екипът пусна своите резултати. Ако изводите стоят, те ще отворят ефектен нов прозорец за най-ранните моменти на Вселената и заслужено ще се класират сред най-важните космологични находки от миналия век.
Това е история, чиито корени могат да бъдат проследени до историите за ранно създаване, които имат за цел да задоволят първичното желание да схванем произхода си. Но ще разбера по-късно разказа - с откритието на Алберт Айнщайн за общата теория на относителността, математическата основа на пространството, времето и цялата съвременна космологична мисъл.
Фокалната равнина на телескопа Bicep2, показана под микроскоп, е разработена от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА. (Антъни Търнър / JPL) 
Гравитационните вълни, опънати от инфлацията, генерират слаб, но отличителен модел, наречен сигнал B-режим, зает от Bicep2. (BICEP2) 
По време на инфлация (показана вляво), гравитационна сила се изтласка навън, разтягайки Вселената в малка частица от секундата. (WMAP) Телескопът Bicep2, показан в здрач, постигна първото откриване на прогнозиран модел на гравитационна вълна, съобщи екипът му. (Steffen Richter / Harvard University) Изкривено пространство до Големия взрив
В ранните години на 20 век Айнщайн пренаписа правилата на пространството и времето със своята специална теория на относителността. Дотогава повечето се придържаха към Нютоновата перспектива - интуитивната перспектива, в която пространството и времето осигуряват непроменена арена, в която се случват събития. Но както го описа Айнщайн, през пролетта на 1905 г. в съзнанието му се разрази буря, проливен поток от математически прозрения, който измести универсалната арена на Нютон. Айнщайн убедително твърди, че няма универсално време - часовниците в движение цъкат по-бавно - и няма универсално пространство - владетелите в движение са по-къси. Абсолютната и неизменна арена отстъпи място на пространство и време, които бяха податливи и гъвкави.
След това, Айнщайн се обърна към още по-силно предизвикателство. За повече от два века универсалният закон на гравитацията на Нютон свърши впечатляваща работа при прогнозирането на движението на всичко - от планети към комети. Въпреки това имаше един пъзел, който самият Нютон формулира: Как гравитацията упражнява своето влияние? Как Слънцето влияе на Земята през около 93 милиона мили по същество празно пространство? Нютон беше предоставил наръчник на собственика, позволяващ на математически умелия да изчисли ефекта на гравитацията, но той не успя да отвори капака и да разкрие как гравитацията прави това, което прави.
В търсене на отговора Айнщайн участва в обсесивна, изтощителна одисея от десетилетия чрез тайнствена математика и творчески полети на физическа фантазия. До 1915 г. неговият гений пламва през окончателните уравнения на общата теория на относителността, като най-накрая разкрива механизма, лежащ в основата на силата на гравитацията.
Отговорът? Пространство и време. Вече разколебани от своите нютонови основания чрез специална относителност, пространство и време се появиха напълно в живота в общата относителност. Айнщайн показа, че колкото изкривен дървен под може да изтласка подвижен мрамор, пространството и времето могат сами да се изкривят и да натискат земни и небесни тела, за да следват траекториите, отдавна приписвани на влиянието на гравитацията.
Колкото и абстрактна да е формулировката, общата относителност направи окончателни прогнози, някои от които бързо потвърдени чрез астрономически наблюдения. Това вдъхнови математически ориентираните мислители по света да проучат подробните последици от теорията. Работата на белгийския свещеник Жорж Лемаотре, който също е докторат по физика, подобри историята, която следваме. През 1927 г. Лемаотре прилага уравненията на Айнщайн с обща относителност не върху обекти във Вселената, като звезди и черни дупки, а върху самата вселена. Резултатът събори Lemaître по петите му. Математиката показа, че Вселената не може да бъде статична: тъканта на космоса или се разтяга, или свива, което означава, че Вселената или нараства в размер, или се свива.
Когато Лемаотре предупреди Айнщайн за това, което е намерил, Айнщайн се намръщи. Смяташе, че Лемаотре натиска математиката твърде далеч. Толкова сигурен беше Айнщайн, че Вселената като цяло е вечна и непроменяща се, че той не само отхвърля математическите анализи, които свидетелстват за обратното, той вкарва скромно изменение в уравненията си, за да гарантира, че математиката ще отговаря на предразсъдъците му.
И предразсъдъци беше. През 1929 г. астрономическите наблюдения на Едвин Хъбъл, използвайки мощния телескоп в обсерваторията Маунт Уилсън, разкриха, че всички далечни галактики бързо се отдалечават. Вселената се разширява. Айнщайн си даде евфемистичен шамар в челото, порицание за това, че не се доверява на резултатите, излезли от собствените си уравнения, и приведе мисленето си - и своите уравнения - в съответствие с данните.
Голям напредък, разбира се. Но новите прозрения дават нови загадки.
Както Лемаотре посочи, че ако сега пространството се разширява, тогава чрез навиване на космическия филм в обратна посока заключаваме, че наблюдаваната Вселена е била все по-малка, по-плътна и по-гореща, все повече назад във времето. На пръв поглед неизбежното заключение е, че вселената, която виждаме, се е появила от феноменално мъничко петънце, което изригна, изпращайки пространство подуване навън - това, което сега наричаме Големия взрив.
Но ако е вярно, какво изпрати подуване на пространството? И как би могло да се изпробва подобно външно предложение?
Инфлационната теория
Ако Вселената изплува от набъбващ горещ и интензивно плътен първичен атом, както го нарича Лематре, тогава, когато пространството набъбна, Вселената трябваше да се охлади. Изчисленията, направени в университета Джордж Вашингтон през 40-те години, а по-късно и в Принстън през 60-те, показват, че остатъчната топлина на Големия взрив ще се прояви като баня от фотони (частици светлина), равномерно запълващи пространството. Температурата на фотоните сега би спаднала до едва 2, 7 градуса над абсолютната нула, поставяйки дължината на вълната им в микровълновата част на спектъра - обяснявайки защо тази възможна реликва на Големия взрив се нарича космическо микровълново фоново лъчение.
През 1964 г. двама учени от Bell Labs, Арно Пензиас и Робърт Уилсън, са в хитрост, разочаровани от голяма наземна антена, предназначена за спътникови комуникации. Независимо къде са насочили антената, те се натъкнаха на кошмара на аудиофила: непрекъснато изсвирване на фона. Месеци наред търсеха, но не успяха да намерят източника. Тогава Пензиас и Уилсън се хванаха от космологичните изчисления, които се правят в Принстън, предполагайки, че трябва да има пространство с ниско ниво на радиация. Непрекъснатото съскане, разбраха изследователите, се поражда от фотоните на Големия взрив, гъделичкащи приемника на антената. Откритието спечели Пензиас и Уилсън през 1978 г. Нобелова награда.
Изпъкналостта на теорията за Големия взрив скочи, като накара учените да разколебаят теорията, търсейки неочаквани последици и възможни слабости. Бяха разкрити редица важни въпроси, но най-съществените бяха и най-важните
основен.
Големият взрив често се описва като съвременната научна теория за сътворението, математическият отговор на Битие. Но това понятие скрива съществена заблуда: Теорията за Големия взрив не ни казва как е започнала Вселената. Разказва ни как се е развила Вселената, като започва малка част от секундата, след като всичко е започнало. Когато космическият филм се пренавива до първия кадър, математиката се разпада, затваряйки обектива точно когато събитието за създаване е на път да запълни екрана. И така, когато става въпрос за обяснение на самия взрив - изначалния тласък, който трябва да е насочил Вселената с гръмотевици към своя експанзионен курс - теорията за Големия взрив мълчи.
Ще падне на млад докторант от отдела по физика на университета в Станфорд, Алън Гут, да направи жизненоважната стъпка към запълването на тази празнина. Гут и неговият сътрудник Хенри Тие от Университета Корнел се опитваха да разберат как някои хипотетични частици, наречени монополи, могат да бъдат произведени в най-ранните моменти на Вселената. Но изчислявайки дълбоко в нощта на 6 декември 1979 г., Гут пое работата в друга посока. Той осъзна, че не само уравненията показват, че общата относителност е запълнила съществена пропаст в гравитацията на Нютон - осигурявайки механизма на гравитацията - те също разкриват, че гравитацията може да се държи по неочаквани начини. Според Нютон (и ежедневен опит) гравитацията е привлекателна сила, която дърпа един предмет към друг. Уравненията показваха, че в формулировката на Айнщайн гравитацията също може да бъде отблъскваща.
Гравитацията на познати предмети като Слънцето, Земята и Луната със сигурност е привлекателна. Но математиката показа, че различен източник, а не струпване на материя, а вместо това енергия, въплътена в поле, равномерно запълващо даден регион, ще генерира гравитационна сила, която ще се изтласка навън. И свирепо така. Регион, дълъг милиард от милиард от сантиметър, изпълнен с подходящо енергийно поле - наречено инфлатоново поле - ще бъде разрушен от мощната отблъскваща гравитация, потенциално разтягаща се до голяма част от наблюдаваната вселена в части на секунда
И това с право би било наречено бретон. Голям взрив.
С последващите уточнения на първоначалното прилагане на Гут отблъскваща гравитация от учени, включително Андрей Линде, Пол Щайнхард и Андреас Албрехт, се ражда инфлационната теория на космологията. Надеждното предложение за това, което възпламенява външното подуване на пространството, най-накрая беше на масата на теоретиците. Но правилно ли е?
Тестване на инфлацията
Отначало руж може да изглежда погрешно да потърси потвърждение на теория, която уж е действала за малка част от секундата преди близо 14 милиарда години. Разбира се, Вселената сега се разширява, така че нещо го настройва на първо място. Но възможно ли е дори да се потвърди, че е предизвикано от мощна, но кратка светкавица отблъскваща гравитация?
То е. И подходът отново използва микровълновото фоново лъчение.
За да усетите как, представете си да напишете на повърхността на издут балон едно малко съобщение, твърде малко, за да може някой да го чете. След това надуйте балона нагоре. Докато се разтяга, и вашето съобщение се разтяга, като става видимо. По същия начин, ако космосът преживее драматично инфлационно разтягане, тогава мъничките физически отпечатъци, заложени през най-ранните моменти на Вселената, ще бъдат разтегнати по небето, вероятно и да направят видими.
Има ли процес, който би отпечатал мъничко послание в ранната Вселена? Квантовата физика отговаря с гласно да. Това се свежда до принципа на несигурността, разработен от Вернер Хайзенберг през 1927 г. Хайзенберг показа, че микровълният свят е обект на неизбежни „квантови трептения“, които правят невъзможно едновременно определяне на определени характеристики, като позицията и скоростта на частицата. За полета, затрудняващи пространството, принципът на несигурност показва, че силата на дадено поле също е обект на квантови трептения, което води до неговата стойност на всяко място да се раздвижва нагоре и надолу.
Десетилетия на експерименти върху микрореала са потвърдили, че квантовите трептения са реални и повсеместни; те са непознати само защото колебанията са твърде малки, за да се наблюдават пряко в ежедневието. Което е мястото, където инфлационното разтягане на пространството влиза в себе си.
Подобно на вашето съобщение за разширяващия се балон, ако Вселената претърпи изумителното разширение, предложено от инфлационната теория, тогава малките квантови трептения в полето на инфлатона - не забравяйте, че това е полето, което е отговорно за отблъскващата гравитация - ще бъде разтеглено в света на макроуловището. Това би довело до това, че енергията на полето е докосване по-голямо на някои места, а докосване по-малко в други.
От своя страна тези промени в енергията биха имали влияние върху космическото микровълново фоново излъчване, като на някои места температурата е леко по-висока и при други малко по-ниска. Математическите изчисления показват, че температурните колебания ще бъдат малки - около 1 част от 100 000. Но - и това е ключово - температурните промени биха попълнили определен статистически модел в небето.
В началото на 90-те години серия от все по-усъвършенствани наблюдателни начинания - наземни, балони и космически телескопи - са търсили тези температурни промени. И ги намерих. Действително, съществува теоретично съгласие между теоретичните прогнози и данните от наблюденията.
И с това може би смятате, че инфлационният подход е потвърден. Но като общност физиците са толкова скептична група, колкото някога ще срещнете. През годините някои предлагаха алтернативни обяснения на данните, докато други поставиха различни технически предизвикателства пред самия инфлационен подход. Инфлацията остава далеч и далеч от водещата космологична теория, но мнозина смятат, че пушекът все още не е намерен.
Досега.
Пулсации във фабриката на космоса
Точно както полетата в пространството са обект на квантови трептения, така и квантовата несигурност гарантира, че самото пространство трябва да бъде обект и на квантови трептения. Което означава, че пространството трябва да се колебае като повърхността на вряща тенджера с вода. Това е непознато по същата причина, че гранитният плот изглежда гладък, въпреки че повърхността му е просмукана с микроскопични несъвършенства - вълнообразието се случва на изключително мънички везни. Но отново, тъй като инфлационното разширение разтяга квантовите характеристики в макрореал, теорията предсказва, че малките вълнички проникват в далеч по-дълги пулсации в пространствената тъкан. Как бихме открили тези пулсации или първични гравитационни вълни, както се наричат по-правилно? За трети път вездесъщата реликва на Големия взрив, космическото микровълново фоново лъчение, е билетът.
Изчисленията показват, че гравитационните вълни биха отпечатали усукващ модел на фоновото излъчване, емблематичен пръстов отпечатък на инфлационното разширение. (По-точно фоновото излъчване възниква от трептенията в електромагнитното поле; посоката на тези трептения, известни като поляризация, се усуква след гравитационните вълни.) Откриването на такива вихри във фоновото излъчване отдавна се счита за златният стандарт за установяване на инфлационната теория, дълго търсеният пистолет за пушене.
На 12 март в съобщение за печата, обещаващо "голямо откритие", издадено от Харвард-Смитсонианския център за астрофизика, северноамерикански наземни контроли за мисията Bicep2, изпрати задъхани слухове, които се носят из световната физическа общност. Може би вихрите са били намерени? На пресконференцията на 17 март слуховете бяха потвърдени. След повече от година внимателен анализ на данните, екипът на Bicep2 обяви, че е постигнал първото откриване на прогнозирания модел на гравитационна вълна.
Фините вихри в данните, събрани на Южния полюс, свидетелстват за квантови тремори на космоса, опънати от инфлационно разширение, преливащи се през ранната Вселена.
Какво означава всичко това?
Случаят с инфлационната теория вече се засили и обхвана вековни катаклизми в космологията. Сега не само знаем, че Вселената се разширява, не само имаме ли достоверно предложение за това, което запали разширяването, ние откриваме отпечатъка на квантовите процеси, които гъделичкат пространството по време на огнената първа част от секундата.
Но като един от тези скептични физици, макар и този, който също е вълнуващ, нека да завърша с някакъв контекст за размисъл за тези развития.
Екипът на Bicep2 свърши героична работа, но пълното доверие в неговите резултати ще изисква потвърждение от независими екипи от изследователи. Няма да се налага да чакаме дълго. Конкурентите на Bicep2 също са били горещи в преследването на микровълновите вихри. В рамките на една година, може би по-малко, някои от тези групи могат да докладват за своите открития.
Сигурното е, че настоящите и бъдещите мисии ще предоставят все по-усъвършенствани данни, които ще изострят инфлационния подход. Имайте предвид, че инфлацията е парадигма, а не уникална теория. Теоретиците сега са реализирали основната идея за гръм-като-отблъскваща гравитация по стотици начини (различен брой инфлатонови полета, различни взаимодействия между тези полета и така нататък), като всяко от тях обикновено дава малко различни прогнози. Данните за Bicep2 вече са спечелили значително жизнеспособните модели и следващите данни ще продължат процеса.
Всичко това води до изключително време за инфлационната теория. Но има още по-голям урок. Като изключим вероятността от по-добри измервания вихрите да изчезнат, сега имаме нов наблюдателен прозорец върху квантовите процеси в ранната Вселена. Данните за Bicep2 показват, че тези процеси се случват на мащаби на разстояния, повече от трилион пъти по-малки от тези, сондирани от най-мощния ни ускорител на частици - Големият адронен колайдер. Преди няколко години заедно с група изследователи предприех едно от първите проучвания, за да изчислим как нашите авангардни теории на ултрамалките, като теория на струните, могат да бъдат тествани с наблюдения на микровълновото фоново лъчение. Сега, с този безпрецедентен скок в микрореал, мога да си представя, че по-усъвършенствани изследвания от този вид могат да предвещат следващата фаза в нашето разбиране за гравитацията, квантовата механика и нашия космически произход.
Инфлация и мултивселената
И накрая, нека да се спра на проблем, който досега внимателно избягвам, който е толкова чудесен, колкото и спекулативен. Възможен страничен продукт на инфлационната теория е, че нашата Вселена може да не е единствената вселена.
В много инфлационни модели, надуваемото поле е толкова ефективно, че дори след подхранването на отблъскващия натиск на нашия Голям взрив, полето е готово да подхрани още един голям взрив и още един. Всеки взрив дава своя собствена разширяваща се сфера, като нашата вселена е изведена до една сред многото. В действителност в тези модели инфлационният процес обикновено се оказва безкраен, вечен е и така дава неограничен брой вселени, населяващи велик космически мултивселен.
С доказателства за натрупването на инфлационна парадигма е изкушаващо да се заключи, че и доверието в мултивселената трябва да расте. Макар да съчувствам на тази гледна точка, положението далеч не е ясно. Квантовите колебания не само дават вариации в дадена вселена - отличен пример са вариантите на фона на микровълновата печка, които обсъждахме - те също водят до вариации между самите вселени. И тези вариации могат да бъдат значителни. В някои превъплъщения на теорията, другите вселени могат да се различават дори по видовете частици, които съдържат, и силите, които работят.
В тази изключително разширена перспектива за реалността, предизвикателството е да се изрази това, което инфлационната теория всъщност прогнозира. Как да обясним какво виждаме тук, в тази вселена? Трябва ли да разсъждаваме, че нашата форма на живот не би могла да съществува в различните среди на повечето други вселени и затова се оказваме тук - спорен подход, който поразява някои учени като ченге? Тревогата е, че с вечната версия на инфлацията, порождаща толкова много вселени, всяка с различни характеристики, теорията има способността да подкопае самата ни причина да имаме доверие в самата инфлация.
Физиците продължават да се борят с тези лакуни. Мнозина имат увереност, че това са просто технически предизвикателства пред инфлацията, които след време ще бъдат решени. Склонен съм да се съглася. Обяснителният пакет на Инфлацията е толкова забележителен, а най-естествените му прогнози са толкова зрелищно приведени в съответствие с наблюдението, че всичко изглежда почти прекалено красиво, за да не е наред. Но докато не се разрешат тънкостите, повдигнати от мултивселената, е разумно да се запази окончателната преценка.
Ако инфлацията е правилна, визионерите, разработили теорията, и пионерите, които потвърдиха нейните прогнози, са заслужили за Нобеловата награда. И все пак историята ще е още по-голяма. Постиженията от тази величина надминават индивида. Ще бъде момент за всички нас да се гордеем и да се чудим, че нашето колективно творчество и прозрение разкри някои от най-дълбоко пазените тайни на Вселената.
