Zvaigznes un galaktikas, kuras mēs šodien redzam, ne vienmēr pastāvēja, un, jo tālāk mēs ejam, jo ​​tuvāk kļūst perfekti vienmērīgais Visums, taču vienmērīgumam, ko tas varēja sasniegt, ir ierobežojums, pretējā gadījumā mums nebūtu struktūra vispār šodien. Lai to visu izskaidrotu, mums ir nepieciešams Lielā sprādziena modifikācija: kosmoloģiskā inflācija. (NASA, ESA un A. Feild (STScI))

Kāpēc mūsu Visums nav pilnīgi vienmērīgs?

Ja tā būtu, mēs šeit nebūtu. Bet ir zinātniska atbilde, kas ir iespaidīgi apstiprināta.

Pārbaudot mūsu Visumu, skatoties uz planētām, zvaigznēm, galaktikām un plašajām kosmiskajām tukšumiem, kas tos atšķir, “gluds” nav tieši pirmais vārds, kas ienāk prātā. Milzīgais kosmiskais tīmeklis ir viena no vismocīgākajām lietām, kāda ir iedomājama Visumā, ar tādu planētu kā Zeme, kas ir aptuveni 1030 reizes blīvāka par vidējo. Tomēr Visums ne vienmēr bija tik neveikls, vai arī tas nebūtu attīstījies, lai parādītos tāds, kādu mēs to redzam šodien. Tam vajadzēja būt dzimušam gandrīz gludi, ja nepilnības bija tikai dažas daļas no 100 000 vai arī pirmo galaktiku veidošanai nebūtu vajadzējis simtiem miljonu gadu. Tomēr šīs mazās nepilnības bija vitāli svarīgas, vai mēs vispār nebūtu izveidojuši tādu struktūru, kādu mēs šodien redzam! Pēc gadsimtiem ilgas nesaprašanas, kā tas notika, atbildi sniedza viena no kosmoloģijas pretrunīgi vērtētajām teorijām - inflācija. Un tagad, kad mūsu mērījumi ir sasnieguši nepieredzētu precizitāti, tā prognozes tiek pārbaudītas iespaidīgi.

Izplešanās Visuma vizuālā vēsture ietver karstu, blīvu stāvokli, kas pazīstams kā Lielais sprādziens, un pēc tam struktūras augšanu un veidošanos. Tomēr, lai iegūtu mūsdienās redzamo struktūru, Visums nevarētu būt dzimis perfekti (NASA / CXC / M. Veiss)

Saskaņā ar kosmisko inflāciju karstais Lielais sprādziens nebija pats telpas un laika sākums, bet bija tikai karsts, blīvs, strauji augošs agrīnais stāvoklis. Tā bija kosmiskā inflācija, fāze, kurā Visumu dominēja nevis matērija un starojums, bet enerģija, kas raksturīga pašam kosmosam, un tas izveidoja Lielo sprādzienu. Šai inflācijas fāzei bija raksturīga eksponenciāla telpas paplašināšanās, kad Visums divkāršojās, tad četrkāršojās, pēc tam laika gaitā palielinājās (utt.). Pēc nepilnām 10–33 sekundēm teorētisko virkņu lielums no virkņu teorijas būtu izstiepts līdz mērogam, kas ir lielāks nekā šodien novērojamais Visums. Citiem vārdiem sakot, kosmiskā inflācija uztver visu, kas iepriekš pastāvēja, un izstiepa to patiesi, patiesi un pilnīgi vienmērīgi un gludi.

Inflācija izraisa telpas eksponenciālu paplašināšanos, kas ļoti ātri var izraisīt jebkuru iepriekš izliektu vai nelīdzenu vietu, kas izskatās plakana. Ja Visumam vispār ir kāds izliekums, tam ir simtiem reižu lielāks izliekuma rādiuss, nekā mēs varam novērot. (E. Siegel (L); Ned Wright kosmoloģijas apmācība (R))

No pirmā acu uzmetiena šķiet, ka tā rada milzīgu problēmu. Ja inflācija izstiepj telpu līdzenai, vienveidīgai un vienmērīgai, kas neatšķiras no pilnības, tad kā mēs šodien nonācām pie neveikla Universa? Gan Ņūtona, gan Einšteina gravitācijas teorijas ir nestabilas attiecībā pret nepilnībām, kas nozīmē, ka, ja jūs sākat ar gandrīz vienmērīgu, bet ne gluži perfektu gludo Visumu, laika gaitā nepilnības pieaugs, un jūs varēsit izveidot struktūru. Bet, ja jūs sākat ar perfektu gludumu un burtiski bez nepilnībām, jūs vienmēr paliksit gluds. Tomēr tas vispār nesaskan ar Visumu, kuru mēs novērojam; tai vajadzēja būt dzimušai ar nepilnībām matērijas blīvumā.

Klupšanas / klasterizācijas modeļa karte, ko šodien demonstrē mūsu Visuma galaktikas. Prasība tur nokļūt ir sākotnēji matērijas / enerģijas blīvuma nepilnības. (Gregs Bekons / STScI / NASA Goddard kosmisko lidojumu centrs)

Tāpēc šim naivajam inflācijas attēlam jābūt nepilnīgam. Ir jābūt kaut kādam veidam, kā radīt šīs nepilnības, pretējā gadījumā Visums nepastāvētu tāds, kādu mēs to redzam. Bet svarīgs Visuma un inflācijas īpašums nonāk glābšanā visievērojamākajos veidos. Jūs redzat, ka pati tukšā telpa pati par sevi nav pilnīgi līdzena un gluda, bet drīzāk ar vismazāko mērogu uzrāda kvantu svārstības.

Kvantu lauka teorijas aprēķina vizualizācija, parādot virtuālās daļiņas kvantu vakuumā. Pat tukšā telpā šī vakuuma enerģija nav nulle. (Dereks Leinvebers)

To var aplūkot dažādos veidos: raksturīga nenoteiktība pašas kosmosa enerģijai; kā vakuuma svārstības; vai kā daļiņu un daļiņu pāru kopas, kas izlec no eksistences. Bet neatkarīgi no tā, kā jūs to skatāt, paliek skaidrs viens: ja jūs grafētu Visuma enerģijas blīvumu un paskatītos uz ārkārtīgi mazām un granulētām skalām, jūs redzētu, ka kosmosā tas nebija vienmērīgs un nemainīgs. vai laiks, pat ja jūs no tā noņēmāt visu lietu un starojumu. Pašam kosmosa audumam ir raksturīgas kvantu svārstības.

Agrīnā Visuma ilustrācija, kas sastāv no kvantu putām, kur kvantu svārstības ir lielas, daudzveidīgas un svarīgas mazākajos mērogos. (NASA / CXC / M.Weiss)

Parasti šīs svārstības vidēji izslēdz viena otru, un tāpēc jūs vienkārši pārtraucat ar niecīgu nulles punkta enerģiju, kas ir pozitīva pati kosmosam. Bet inflācijas laikā šīm kvantu svārstībām nav iespējas vidējo izlīdzināt, jo pati telpa paplašinās ar šo eksponenciālo ātrumu!

Tā vietā notiek tas, ka šīs svārstības izstiepjas visā Visumā, un tāpēc ideja par kvantu svārstībām vairs nav ierobežota tikai ļoti mazā mērogā. Laikā, kas ir tikai niecīga sekundes daļa, šie kvantu efekti var tikt stiepti līdz enerģijas svārstībām zvaigžņu, galaktisko vai pat Visumu aptverošajos mērogos!

Kvantu svārstības, kas rodas inflācijas laikā, patiešām tiek izstieptas visā Visumā, taču tās rada arī kopējā enerģijas blīvuma svārstības, atstājot mūsos zināmu telpiskā izliekuma daudzumu, kas šodien nav nulle un kas paliek Visumā. Šīs lauka svārstības izraisa blīvuma nepilnības agrīnajā Visumā, kas pēc tam noved pie temperatūras svārstībām, kuras mēs piedzīvojam kosmiskā mikroviļņu fona apstākļos. (E. Siegel / Aiz galaktikas)

Turpinot inflāciju, tiek radītas jaunas kvantu mēroga svārstības, kā rezultātā papildu mazāka mēroga svārstības tiek uzliktas virs lielākiem. Tas turpinās un turpinās, veidojot svārstību modeli un jebkura lieluma nejaušus reģionus, kuriem ir pārspīlēti un pārāk intensīvi enerģijas blīvumi, kamēr vien turpinās inflācija.

Tad pēc nenoteikta laika inflācija beidzas. Un, kad tas notiek, visa šī kosmosam raksturīgā enerģija tiek pārveidota matērijā, antimatērijā un starojumā. Kad inflācija beidzas, sākas karstais Lielais sprādziens, un Visums kļūst piepildīts ar sīkumiem.

Bumbu, kas slīd pa augstu virsmu, analoģija ir tad, kad inflācija saglabājas, savukārt struktūra sabrūk un atbrīvo enerģiju atspoguļo enerģijas pārvēršanu daļiņās. (E. Siegel)

Bet reģionos, kas sākotnēji bija pārspīlēti, lai sāktu ar enerģiju, ņemot vērā šīs kvantu svārstības inflācijas laikā, tajās vietās radīsies nedaudz vairāk vielu, antimateriālu un starojuma nekā vidēji. Reģionos, kur bija zemāks blīvums, tur pastāvēs mazliet mazāk par vidējo vielu, antimateriālu un radiāciju. Un šī spektra pārslodzes un nepietiekamības dēļ Visumā būtu jārada arvien nedaudz vēsāki un karstāki reģioni, ņemot vērā temperatūru.

Kosmosa reģioni, kas ir nedaudz blīvāki par vidējo, radīs lielākas gravitācijas potenciāla akas, no kurām izkļūt, tas nozīmē, ka gaisma, kas rodas no šiem reģioniem, šķiet aukstāka, ar laiku, kad tā nonāk mūsu acīs. Un otrādi, nepietiekami blīvi reģioni izskatīsies kā karstie punkti, savukārt reģionos ar perfektu vidējo blīvumu vidējā temperatūra būs nevainojama. (E. Siegel / Aiz galaktikas)

Pēc tam, kad Visums kādu laiku ir bijis apkārt, paplašinoties un atdziestot, gravitācija sāk darboties. Tas palielina svārstības, kas pastāvēja, neatkarīgi no virziena, kurā tās atkāpās no vidējā. Nedaudz karstākie reģioni, kas ir nepietiekami noslogoti, vieglāk atdos savas lietas blīvākiem reģioniem. Aukstāki reģioni, kas ir pārslogoti, priekšroku dod vielai, kas ir efektīvāka nekā reģioni ar zemu blīvumu vai vidēja blīvuma reģioni.

Pastāv sarežģīts līdzsvars starp gravitāciju, kas darbojas, lai piesaistītu visu saskaņā ar iepriekš minēto loģiku, un starojumu, kas pretstatā reģioniem, kas pārāk ātri kļūst pārāk blīvi. Tieši šī spēka mijiedarbība starp gravitāciju, starojumu un sākotnējām inflācijas svārstībām rada izciļņus, raustīšanās un nepilnības, kuras mēs redzam kosmiskā mikroviļņu fona apstākļos.

CMB svārstības ir balstītas uz primārajām svārstībām, ko rada inflācija. Proti, “plakanai daļai” lielos mērogos (kreisajā pusē) nav izskaidrojuma bez inflācijas, un tomēr svārstību lielums ierobežo maksimālos enerģijas mērogus, ko Visums sasniedzis inflācijas beigās. Tas ir daudz zemāks par Planka skalu (NASA / WMAP Science Team)

Sākotnējām svārstībām vidējā vērtībai jābūt 1 līdz 30 000 vai apmēram tā, līdz ar to mēs nonākam pie svārstībām, kuras novērojam Lielā sprādziena pārpalikuma mirdzumā. Šīs svārstības palielinās pēc tam, kad Visums kļūst neitrāls un starojums pārstāj izkliedēt elektronus, lai iegūtu liela mēroga struktūru, kādu mēs šodien redzam Visumā. Laika gaitā tas noved pie gravitācijas veidošanās zvaigznēs, galaktikās, kopās un lielos kosmiskajos tukšumos, kas tos atšķir.

Detalizēts Universa apskats atklāj, ka tas ir veidots no matērijas, nevis no antimateriāla, ka ir nepieciešama tumšā matērija un tumšā enerģija un ka mēs nezinām neviena no šiem noslēpumiem izcelsmi. Tomēr CMB svārstības, liela mēroga struktūras veidošanās un korelācijas, kā arī mūsdienu gravitācijas objektīvu novērojumi norāda uz vienu un to pašu attēlu, kas izriet no kosmiskās inflācijas. (Kriss Bleiks un Sems Moorfīlds)

Ja Visums būtu dzimis pilnīgi gludi, nebūtu nekādu iespēju iegūt detalizētu struktūru, gan mūsdienās, gan lielos mērogos, gan mazos. Mūsu novērojumi pieprasa, lai kaut kādā veidā visās mērogos pastāvētu vienāda lieluma svārstības, un Visumam vajadzēja piedzimt šādā veidā. Kad septiņdesmito gadu beigās un astoņdesmito gadu sākumā inflāciju sāka teorētiski, nevarēja zināt, kā šīs svārstības izrādīsies; tas bija pareģojums, ko radīja inflācija, kas netiks pārbaudīta gadu desmitiem ilgi! Tomēr apstiprinājums šeit ir iespaidīgs, jo nevienai citai teorijai nav paņēmiena, kā radīt šīs svārstības, un novērojumi saskanēja ar to, ko inflācija pareizajā, neapstrīdamajā veidā prognozēja kā satelīti, piemēram, COBE, WMAP un nesen Planck.

Kvantu svārstības, kas rodas inflācijas laikā, stiepjas visā Visumā, un, inflācijai beidzoties, tās kļūst par blīvuma svārstībām. Laika gaitā tas noved pie plaša mēroga struktūras mūsdienu Visumā, kā arī CMB novērotajām temperatūras svārstībām. (E. Siegel, ar attēliem, kas iegūti no ESA / Planck un DoE / NASA / NSF starpresoru darba grupas CMB pētījumiem)

Rezultāts ir tik pārliecinošs un saskaņots ar datiem, ka alternatīvas praktiski nav. Inflācija nav tikai lieta, kas notika, lai uzstādītu Lielo sprādzienu vai atrisinātu daudz problēmu, par kurām mēs jau iepriekš zinājām; tas sniedza kvantitatīvas prognozes par to, ko mēs varētu sagaidīt, ka pastāv Visumā, sākot no agrīnajiem laikiem līdz moderniem, un novērojumi to ir apstiprinājuši. Inflācija un tās kvantu raksturs ir iemesls, kāpēc Visums šodien nav gluži vienmērīgs, un tas ir ļoti labi. Bez tā mums nekad nebūtu bijis iespējams pastāvēt.

Starts With A Bang tagad ir pieejams Forbes un, pateicoties mūsu Patreon atbalstītājiem, tiek publicēts vidējā versijā. Etāns ir rakstījis divas grāmatas “Beyond The Galaxy” un “Treknoloģija: Zvaigžņu pārgājienu zinātne no Tricorders līdz Warp Drive”.