Šest mjeseci svake godine, višegodišnje tamne i vjetrovite ravnice južne polarne ledene kape imaju prosječnu temperaturu od oko 58 stupnjeva Farenhajta ispod nule. Ljeti, kad se sunce vrati za šestomjesečni dan, lednički teren jedva postaje primamljiviji, s temperaturama koje se penju na minus 20 stupnjeva. Ne baš mjesto koje bi većina nas odlučila posjetiti.
Povezani sadržaj
- Pogledajte kako se svemir razvija tijekom 13 milijardi godina
- Veliki "gravitacijski val" koji je došao zapravo mogao je biti samo prašine
- Znanost o velikoj "gravitacijskoj vali" od ponedjeljka objašnjena u dva minuta
- Novo kozmičko otkriće moglo bi biti najbliže što smo došli početkom vremena
Ali ako ste astronom koji traži kolekciju fotona koji struji prema nama tek nakon Velikog praska, onda je Južni polni laboratorij mračnog sektora ono što će Met operirati ili Yankee stadion do baseballa. To je prvobitno mjesto za bavljenje trgovinom. Uz najhladniji i najsušniji zrak na zemlji, atmosfera omogućuje fotonima da gotovo nesmetano putuju, pružajući najoštrije svemirske svemirske slike ikad snimljene.
Tijekom tri godine, tim astronoma na čelu s istraživačem Harvard-Smithsoniana Johnom Kovačem odvažio je elemente da usmjerite hrapavi teleskop poznat kao Bicep2 (akronim za manje eufonirano Pozadinsko snimanje kozmičke ekstragalaktičke polarizacije) na zakrpu južnog neba. U ožujku, tim je objavio svoje rezultate. Ako zaključci stoje, otvorit će se spektakularni novi prozor o najranijim trenucima svemira i zasluženo će se svrstati među najvažnija kozmološka otkrića prošlog stoljeća.
To je priča čije korijene možemo pratiti do priča o ranom stvaranju namijenjenih da zadovolje iskonski poriv da shvatimo naše podrijetlo. Ali pripovijest ću preuzeti kasnije - otkrićem Alberta Einsteina opću teoriju relativnosti, matematičku osnovu prostora, vremena i čitavu modernu kosmološku misao.
Fokalna ravnina teleskopa Bicep2, prikazana pod mikroskopom, razvila je NASA-ina laboratorija za mlazni pogon. (Anthony Turner / JPL) 
Gravitacijski valovi koji se protežu inflacijom stvaraju slab, ali karakterističan uzorak, zvan B-mod signala, snimljen Bicep2. (BICEP2) 
Za vrijeme inflacije (prikazano lijevo), gravitaciona sila gurnula se prema van, protežući svemir u malom djeliću sekunde. (WMAP) Teleskop Bicep2, prikazan u sumrak, postigao je prvo otkrivanje predviđenog uzorka gravitacijskog vala, objavio je njegov tim. (Steffen Richter / Sveučilište Harvard) Iskrivljeni svemir do Velikog praska
U ranim godinama 20. stoljeća Einstein je prepisao pravila prostora i vremena svojom posebnom teorijom relativnosti. Do tada se većina pridržavala newtonske perspektive - intuitivne perspektive - u kojoj prostor i vrijeme pružaju nepromjenjivu arenu u kojoj se događaju. No, kako je Einstein to opisao, u proljeće 1905. godine u njegovu se umu razbila oluja, bujica matematickog uvida koja je zamahnula Newtonovom univerzalnom arenom. Einstein je uvjerljivo tvrdio da ne postoji univerzalno vrijeme - satovi u pokretu kidaju sporije - i nema univerzalnog prostora - vladari u pokretu su kraći. Apsolutna i nepromjenjiva arena ustupila je prostor i vrijeme koji su bili prosti i fleksibilni.
Einstein se, svjež ovog uspjeha, tada okrenuo još strožim izazovima. Tijekom više od dva stoljeća, Newtonov univerzalni zakon gravitacije obavio je impresivan posao predviđajući kretanje svega, od planeta do kometa. Unatoč tome, postojala je zagonetka koju je Newton artikulirao: Kako gravitacija vrši svoj utjecaj? Kako Sunce utječe na Zemlju kroz nekih 93 milijuna kilometara suštinski praznog prostora? Newton je pružio vlasnički priručnik koji je matematički vještima omogućio izračunavanje učinka gravitacije, ali nije uspio otvoriti poklopac i otkriti kako gravitacija radi ono što radi.
U potrazi za odgovorom, Einstein se upuštao u desetljeću opsesivnu, mučnu odiseju kroz skrivene matematike i kreativne letove fizičke mašte. Do 1915. njegov je genij blistao kroz konačne jednadžbe opće teorije relativnosti, konačno otkrivši mehanizam koji stoji u osnovi sile gravitacije.
Odgovor? Prostor i vrijeme. Već otkinuti od svojih njujtonskih temelja posebnom relativnošću, prostor i vrijeme potpuno su se spustili u život u općoj relativnosti. Einstein je pokazao da koliko iskrivljen drveni pod može pritisnuti mramor koji se valja, prostor i vrijeme mogu se sami iskriviti i gurnuti zemaljska i nebeska tijela da slijede putanje dugo pripisane utjecaju gravitacije.
Bez obzira na apstraktnu formulaciju, opća relativnost dala je definitivna predviđanja, od kojih su neka brzo potvrđena astronomskim promatranjima. To je nadahnulo matematički orijentirane mislioce širom svijeta da istraže detaljne implikacije teorije. Posao belgijskog svećenika Georgesa Lemaître, koji je i doktorirao fiziku, poboljšao je priču koju pratimo. Godine 1927. Lemaître je Einsteinove jednadžbe opće relativnosti primijenio ne na predmete unutar svemira, poput zvijezda i crnih rupa, već na cijeli svemir. Rezultat je udario Lemaître na pete. Matematika je pokazala da svemir ne može biti statičan: Tkanina prostora se ili rastezala ili sužavala, što je značilo da svemir ili raste ili se smanjuje.
Kad je Lemaître upozorio Einsteina na ono što je pronašao, Einstein se rugao. Mislio je da Lemaître previše gura matematiku. Tako je siguran bio Einstein da je svemir kao cjelina vječan i nepromjenjiv da nije samo odbacio matematičke analize koje potvrđuju suprotno, već je u svoje jednadžbe ubacio skroman amandman kako bi osigurao da matematika odgovara njegovim predrasudama.
I predrasuda je bila. Godine 1929. astronomska promatranja Edwina Hubblea pomoću moćnog teleskopa u opservatoriju Mount Wilson otkrila su da sve udaljene galaksije sve žuriju. Svemir se širi. Einstein je sebi dao eufemistički šamar u čelo, ukor za to što nije vjerovao rezultatima koji izlaze iz vlastitih jednadžbi, i svoje mišljenje - i svoje jednadžbe - uskladio s podacima.
Veliki napredak, naravno. No, novi uvidi daju nove zagonetke.
Kao što je Lemaître naglasio, ako se sada prostor proširuje, namotavanjem kozmičkog filma obrnuto, zaključujemo da je promatrajući svemir bio sve manji, gušći i topliji, sve dalje u vremenu. Naizgled neizbježni zaključak je da svemir koji vidimo nastao je iz fenomenalno sićušne mrlje koja je izbila, šaljući prostor nabreknut prema van - ono što danas nazivamo velikim praskom.
Ali ako je istina, što je poslalo prostor oteklina? I kako se može testirati takav neobični prijedlog?
Inflatorna teorija
Ako bi svemir nastao iz toplog i vruće guste iskonske atome, kako ju je Lemaître nazvao, tada bi se svemir trebao ohladiti. Izračuni provedeni na Sveučilištu George Washington u 40-ima, a kasnije i na Princetonu u 1960-ima, pokazali su da će se zaostala toplina Velikog praska očitovati kao kupka fotona (čestica svjetlosti) koji ravnomjerno ispunjavaju prostor. Temperatura fotona sada bi pala na samo 2, 7 stupnjeva iznad apsolutne nule, smještajući njihovu valnu duljinu u mikrovalni dio spektra - objašnjavajući zašto se ovaj mogući relikt Velikog praska naziva kozmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem.
1964. dvojica znanstvenika iz Bell Labsa, Arno Penzias i Robert Wilson, bili su na pameti, frustrirani velikim antenama na tlu, dizajniranim za satelitsku komunikaciju. Bez obzira na to gdje su usmjerili antenu, naišli su na noćnu moru audiofila: neprekidno šištanje u pozadini. Mjesecima su tražili, ali nisu uspjeli pronaći izvor. Tada su Penzias i Wilson uhvatili vjetar kosmoloških izračuna koji su se radili na Princetonu, sugerirajući da bi trebao postojati prostor za punjenje zračenja niske razine. Neprekidno zviždanje, shvatili su istraživači, nastalo je tako što su fotoni Velikog praska golicali antenski prijemnik. Otkriće je zaradilo Penzias i Wilson Nobelovu nagradu 1978. godine.
Istaknutost teorije Velikog praska porasla je naglo, natjeravši znanstvenike da razdvoje teoriju tražeći neočekivane implikacije i moguće slabosti. Iznesena su brojna važna pitanja, ali najvažnije je bilo i najviše
Osnovni, temeljni.
Veliki prasak često se opisuje kao moderna znanstvena teorija stvaranja, matematički odgovor na Postanak. Ali ovaj pojam prikriva bitnu zabludu: Teorija Velikog praska ne govori nam o tome kako je svemir počeo . To nam govori kako se svemir razvijao, započinjući maleni djelić sekunde nakon što je sve započelo. Kako se kosmički film koji se okreće približava prvom kadru, matematika se ruši i zatvara objektiv baš kad događaj stvaranja uskoro puni zaslon. I tako, kada je u pitanju objašnjenje samog praska - iskonski potisak koji je morao usmjeriti svemir na njegov ekspanzijski kurs - teorija Big Bang-a šuti.
Na mladom postdoktorskom kolegi sa odjela za fiziku Sveučilišta Stanford, Alan Guth, trebalo bi poduzeti vitalni korak ka ispunjavanju tog jaza. Guth i njegov suradnik Henry Tye sa Sveučilišta Cornell pokušavali su shvatiti kako se u najranijim trenucima svemira mogu stvoriti određene hipotetske čestice nazvane monopoli. Ali računajući duboko u noć 6. decembra 1979, Guth je posao odveo u drugom smjeru. Shvatio je da ne samo da jednadžbe pokazuju da opća relativnost ukida suštinski jaz Newtonove gravitacije - pružajući gravitacijski mehanizam - i otkrila je da se gravitacija može ponašati neočekivano. Prema Newtonu (i svakodnevnom iskustvu) gravitacija je privlačna sila koja jedan predmet povlači prema drugom. Jednadžbe su pokazale da bi u Einsteinovoj formulaciji gravitacija također mogla biti odbojna.
Gravitacija poznatih objekata, kao što su Sunce, Zemlja i Mjesec, sigurno je atraktivna. Ali matematika je pokazala da će drugačiji izvor, a ne nakupina materije, umjesto toga energija utjelovljena u polju koje ravnomjerno ispunjava regiju, stvoriti gravitacijsku silu koja bi gurnula prema van. I bjesomučno tako. Područje veličine samo nekoliko milijardi milijarde milijardi centimetra, ispunjeno odgovarajućim energetskim poljem - koje se naziva inflatonsko polje - razdvojilo bi se snažnom odbojnom gravitacijom, potencijalno se protežući u djeliću svemiru koji može promatrati u sekundi
I to bi se s pravom moglo nazvati praskom. Veliki prasak.
S naknadnim pročišćenjima Guthove početne primjene odbojne gravitacije od strane znanstvenika, među kojima su Andrei Linde, Paul Steinhardt i Andreas Albrecht, rođena je inflatorna teorija kozmologije. Vjerodostojan prijedlog za ono što je zapaljilo vanjsko oticanje prostora konačno je stao na stol teoretičara. Ali je li točno?
Ispitivanje inflacije
U prvi mah moglo bi se činiti budalom ako traži potvrdu teorije koja je naoko djelovala na maleni djelić sekunde prije gotovo 14 milijardi godina. Naravno, svemir se sada širi, pa je to nešto postavilo. No, je li uopće moguće zamisliti da ju je izazvao snažan, ali kratak bljesak odbojne gravitacije?
To je. Pristup opet koristi mikrovalno pozadinsko zračenje.
Da biste stekli osjećaj kako zamislite kako na površinu izduvanog balona pišete malu poruku, premalenu da bi je itko mogao pročitati. Zatim dižite balon. Kako se proteže, tako će i vaša poruka postati vidljiva. Slično tome, ako bi svemir doživio dramatično inflatorno istezanje, sitni fizički otisci postavljeni tijekom najranijih trenutaka svemira proširili bi se nebom, vjerojatno čineći ih i vidljivima.
Postoji li postupak koji bi utisnuo sićušnu poruku u ranom svemiru? Kvantna fizika odgovara sa snažnim da. Ono se svodi na princip neizvjesnosti koji je napredovao Werner Heisenberg 1927. Heisenberg je pokazao da je mikrovalni svijet podložan neizbježnim „kvantnim podrhtavanjima“ koja onemogućavaju istovremeno odrediti određene značajke, poput položaja i brzine čestice. Za polja koja gube prostor, načelo nesigurnosti pokazuje da je jakost polja također podvrgnuta kvantnim podrhtavanjima, zbog čega njegova vrijednost na svakom mjestu kliže prema gore i dolje.
Desetljećima eksperimenata na mikrorealmu potvrđeno je da su kvantna podrhtavanja stvarna i sveprisutna; nepoznati su samo zato što su fluktuacije suviše malene da bi se mogle izravno primijetiti u svakodnevnom životu. Tamo dolazi inflatorno rastezanje prostora.
Kao i kad je riječ o vašoj poruci o balonu koji se širi, ako bi svemir prošao kroz nevjerojatnu ekspanziju koju je predložila inflatorna teorija, tada bi se maleni kvantni podrhtavanja u inflatonskom polju - zapamtite, to je polje odgovorno za odbojnu gravitaciju - proširilo u svijet makroa. To bi rezultiralo time da energija polja bude dodir veći na nekim mjestima, a na drugom manji.
Zauzvrat, ove promjene energije imale bi utjecaja na kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, dovodeći temperaturu malo višu na nekim mjestima, a na nekim nižim. Matematički proračuni pokazuju da bi temperaturne razlike bile male - otprilike 1 dio u 100.000. Ali - i to je ključno - temperaturne varijacije ispunile bi specifičan statistički obrazac širom neba.
Početkom 1990-ih, serija sve rafiniranijih promatračkih pothvata - zemaljskih, balonskih i svemirskih teleskopa - tražila je te temperaturne razlike. I našao ih. Zaista postoji nevjerojatan dogovor između teorijskih predviđanja i podataka promatranja.
I s tim biste mogli pomisliti da je inflacijski pristup potvrđen. No, kao zajednica, fizičari su skeptična skupina koliko ćete se ikada susresti. Tijekom godina, neki su predlagali alternativna objašnjenja za podatke, dok su drugi postavili razne tehničke izazove samom inflatornom pristupu. Inflacija je i dalje bila daleko vodeća kozmološka teorija, ali mnogi su smatrali da pušku još uvijek nije potrebno pronaći.
Do sada.
Osip u tkanini prostora
Baš kao što polja u prostoru podliježu kvantnim podrhtavanjima, kvantna nesigurnost osigurava da i sam prostor mora biti podložan kvantnim podrhtavanjima. Što znači da bi se prostor trebao nizati poput površine kipuće vode. To nije poznato iz istog razloga što se granitna ploča čini glatkom iako je njena površina prožeta mikroskopskim nesavršenostima - valovi se događaju na izuzetno sitnim mjerilima. Ali, još jednom, s obzirom da inflatorna ekspanzija proteže kvantne značajke u makrorealmu, teorija predviđa da sitni valovi prodire u daleko duže pukotine u prostornom tkivu. Kako bismo otkrili ove valove ili primordijalne gravitacijske valove, kako ih ispravnije nazivamo? Po treći put, ulaznica je sveprisutna relikvija Velikog praska, kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.
Proračuni pokazuju da bi gravitacijski valovi ispisali uvijajući uzorak zračenja u pozadini, ikonični otisak inflatorne ekspanzije. (Preciznije, pozadinsko zračenje nastaje zbog oscilacija u elektromagnetskom polju; smjer tih oscilacija, poznat kao polarizacija, iskreće se nakon gravitacijskih valova.) Otkrivanje takvih vrtloga u pozadinskom zračenju odavno se smatra kao zlatni standard za uspostavljanje inflatorne teorije, dugotrajni pištolj za pušenje.
Dana 12. ožujka, u priopćenju za javnost koje obećava "veliko otkriće", koje je izdao Harvard-Smithsonian Center za astrofiziku, sjevernoamerička zemaljska kontrola za misiju Bicep2, poslao je glasine bez daha koji su odjeknuli širom svjetske fizičke zajednice. Možda su virovi bili pronađeni? Na konferenciji za novinare 17. ožujka glasine su potvrđene. Nakon više od godinu dana pažljive analize podataka, Bicep2 tim objavio je da je postigao prvo otkrivanje predviđenog uzorka gravitacijskog vala.
Suptilni viri u podacima prikupljenim na Južnom polu svjedoče o kvantnim podrhtavanjima prostora, koje se protežu inflatornom ekspanzijom, prolazeći kroz rani svemir.
Što to sve znači?
Slučaj inflatorne teorije postao je sada snažan i obuhvaćao je stoljetni preokret u kozmologiji. Sada, ne samo da znamo da se svemir širi, ne samo da imamo vjerodostojan prijedlog za ono što je zapalilo širenje, mi otkrivamo otisak kvantnih procesa koji su golicali prostor tijekom te vatrene prve djeliće sekunde.
Ali kao jedan od onih skeptičnih fizičara, iako i onaj koji je uzbudljiv, dopustite mi da zaključim s nekim kontekstom za razmišljanje o tim zbivanjima.
Tim Bicep2 obavio je herojski posao, ali za potpuno povjerenje u njegove rezultate potrebna će potvrda neovisnih timova istraživača. Nećemo morati dugo čekati. Konkurenti Bicep2-a također su bili u velikoj potrazi za vrtuljima mikrovalne. U roku od godinu dana, možda i manje, neke od tih skupina mogu prijaviti svoja otkrića.
Ono što je sigurno je da će trenutne i buduće misije pružiti sve pročišćenije podatke koji će pooštriti inflatorni pristup. Imajte na umu da je inflacija paradigma, a ne jedinstvena teorija. Teoretičari su sada na stotine načina (različit broj inflatonskih polja, različite interakcije između tih polja i tako dalje) implementirali suštinsku ideju gravitacije praska kao svaka od njih, a svaki je općenito donio nešto drugačija predviđanja. Podaci o Bicep2 već su značajno pridonijeli održivim modelima, a novi podaci će nastaviti proces.
To sve sačinjava izvanredno vrijeme za inflatornu teoriju. Ali postoji još veća lekcija. Zabranjujući malo vjerojatnu mogućnost da boljim mjerenjima virovi nestanu, sada imamo novi promatrački prozor na kvantne procese u ranom svemiru. Podaci Bicep2 pokazuju da se ovi procesi događaju na daljini koji su više od trilijuna puta manji od onih koje je ispitivao naš najmoćniji akcelerator čestica, Veliki hadronski sudarač čestica. Prije nekoliko godina, zajedno s grupom istraživača, izveo sam jedan od prvih koraka za izračunavanje kako se naše vrhunske teorije ultra-male, poput teorije struna, mogu testirati s promatranjem pozadinskog zračenja mikrovalne. Sada, s ovim neviđenim skokom u mikrorealnost, mogu zamisliti da bi rafiniranije studije ove vrste mogle navijestiti sljedeću fazu u našem razumijevanju gravitacije, kvantne mehanike i našeg kozmičkog porijekla.
Inflacija i multiverzija
Za kraj, dopustite mi da se pozabavim problemom koji sam do sada pomno izbjegavao, a koji je nevjerojatan i spekulativan. Mogući nusprodukt inflatorne teorije je da naš svemir možda nije jedini svemir.
U mnogim inflatornim modelima inflatonsko polje je toliko učinkovito da čak i nakon poticanja odbojnosti našeg Velikog praska, polje je spremno za podupiranje još jednog velikog praska i još jednog mirnog tlaka. Svaki prasak daje svoje carstvo koje se širi, s tim da je naš svemir prebačen na jedno od mnogih. U stvari, u ovim se modelima inflatorni proces obično dokazuje beskrajnim, vječnim i tako daje neograničen broj svemira koji naseljavaju veliki kozmički multiverzum.
Uz dokaze o nakupljanju inflatorne paradigme, primamljivo je zaključiti da bi i samopouzdanje moralo rasti. Iako suosjećam s tom perspektivom, situacija je daleko od jasnog. Kvantne fluktuacije ne samo da rezultiraju varijacijama unutar određenog svemira - što je najprimjerenije varijacije pozadinskih mikrovalnih pećnica o kojima smo razgovarali - već uključuju i različitosti između samih svemira. A ove varijacije mogu biti značajne. U nekim se utjelovljenjima teorije, drugi svemiri mogu razlikovati čak i u vrstama čestica koje sadrže i silama koje djeluju.
U ovom izrazito proširenom pogledu na stvarnost, izazov je artikulirati ono što inflatorna teorija zapravo predviđa. Kako objasniti ono što vidimo ovdje, u ovom svemiru? Moramo li objasniti da naš oblik života ne bi mogao postojati u različitim okruženjima većine drugih svemira i zato smo se ovdje našli - kontroverzan pristup koji neke znanstvenike doživljava kao policajca? Dakle, zabrinutost je da s vječnom verzijom inflacije koja rađa toliko svemira, od kojih svaki ima različita obilježja, teorija ima mogućnost potkopati naš sam razlog povjerenja u samu inflaciju.
Fizičari se i dalje bore s tim prazninama. Mnogi imaju uvjerenja da su to puki tehnički izazovi inflaciji koji će vremenom biti riješeni. Sklona sam slaganju. Inflatorni paket objašnjenja toliko je izvanredan, a njegova najprirodnija predviđanja tako spektakularno usklađena s promatranjem da se čini da je gotovo prelijepo da bi bila pogrešna. Ali dok se suptilnosti koje je stvorio multiverse ne riješe, mudro je zadržati konačnu presudu.
Ako je inflacija ispravna, vizionari koji su razvili teoriju i pioniri koji su potvrdili njena predviđanja dobro su zaslužni za Nobelovu nagradu. Ipak, priča bi i dalje bila veća. Postignuća ove veličine nadmašuju pojedinca. Bio bi trenutak da svi budemo ponosni i dive se što su naša kolektivna kreativnost i uvid otkrili neke od najdubljih tajni svemira.
