Et nyt paradigme til forståelse af de tidligste epoker i universets historie er blevet udviklet.
Et nyt paradigme til forståelse af de tidligste epoker i universets historie er blevet udviklet af forskere ved Penn State University. Ved hjælp af teknikker fra et område i moderne fysik kaldet loop kvante kosmologi, udviklet i Penn State, har forskerne nu udvidede analyser, der inkluderer kvantefysik længere tilbage i tiden end nogensinde før - helt til begyndelsen. Det nye paradigme med loop-kvanteoprindelse viser for første gang, at de store strukturer, vi nu ser i universet, udviklede sig fra grundlæggende udsving i den essentielle kvante-natur "rumtid", der eksisterede selv i starten af universet for over 14 milliarder år siden. Opnåelsen giver også nye muligheder for at teste konkurrerende teorier om moderne kosmologi mod gennembrudte observationer, der forventes fra næste generations teleskoper. Forskningen vil blive offentliggjort den 11. december 2012 som et "redaktørens forslag" -artikel i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.
I henhold til Big Bang-teorien om, hvordan vores univers begyndte, ekspanderede hele vores kosmos fra en ekstremt tæt og varm tilstand og fortsætter med at udvide i dag. Det grafiske skema ovenfor er en kunstners koncept, der illustrerer udvidelsen af en del af et fladt univers. Billede via Wikimedia Commons.
”Vi mennesker har altid ønsket at forstå mere om oprindelsen og udviklingen af vores univers,” sagde Abhay Ashtekar, seniorforfatteren til avisen. ”Så det er en spændende tid i vores gruppe lige nu, når vi begynder at bruge vores nye paradigme til at forstå mere detaljeret den dynamik, som materie og geometri oplevede i de tidligste epoker af universet, inklusive helt i begyndelsen.” Ashtekar er indehaver af Eberly-familiens stol i fysik i Penn State og direktør for universitetets Institut for Gravitation and the Cosmos. Coauthors af papiret sammen med Ashtekar er postdoktorer stipendiater Ivan Agullo og William Nelson.
Det nye paradigme tilvejebringer en konceptuel og matematisk ramme til beskrivelse af den eksotiske ”kvantemekaniske geometri af rumtid” i det meget tidlige univers. Paradigmet viser, at universet i denne tidlige æra blev komprimeret til så ufattelige tætheder, at dets opførsel ikke blev styret af den klassiske fysik i Einsteins generelle relativitetsteori, men af en endnu mere grundlæggende teori, der også inkorporerer den mærkelige dynamik i kvante mekanik. Densiteten af stof var da enorm - 1094 gram pr. Kubikcentimeter sammenlignet med densiteten i en atomkerne i dag, som kun er 1014 gram.
I dette bisarre kvantemekaniske miljø - hvor man kun kan tale om sandsynligheder for begivenheder snarere end sikkerhed - ville fysiske egenskaber naturligvis være meget forskellige fra den måde, vi oplever dem i dag. Blandt disse forskelle, sagde Ashtekar, er begrebet "tid" såvel som den ændrede dynamik i forskellige systemer over tid, når de oplever stoffet i selve kvantegeometrien.
Ingen rumobservatorier har været i stand til at opdage noget så længe siden og langt væk som de meget tidlige epoker af universet beskrevet af det nye paradigme. Men et par observatorier er kommet tæt. Kosmisk baggrundstråling er blevet påvist i en æra, hvor universet kun var 380 tusind år gammelt. På det tidspunkt, efter en periode med hurtig ekspansion kaldet ”inflation”, var universet brast ud i en meget udvandet version af dets tidligere superkomprimerede jeg. I begyndelsen af inflationen var universets tæthed en billion gange mindre end i dets barndom, så kvantefaktorer nu er meget mindre vigtige for at styre den store skala dynamik af stof og geometri.
Observationer af den kosmiske baggrundsstråling viser, at universet havde en overvejende ensartet konsistens efter inflation, bortset fra et let dryss over nogle regioner, der var mere tætte, og andre, der var mindre tætte. Det standardinflatoriske paradigme til at beskrive det tidlige univers, der bruger Einsteins klassiske-fysiske ligninger, behandler rumtid som et glat kontinuum. ”Det inflatoriske paradigme nyder en bemærkelsesværdig succes med at forklare de observerede træk ved den kosmiske baggrundsstråling. Alligevel er denne model ufuldstændig. Det fastholder tanken om, at universet brast ud fra intet i en Big Bang, hvilket naturligt skyldes manglende evne til paradigmets generelle relativitetsfysik til at beskrive ekstreme kvantemekaniske situationer, ”sagde Agullo. ”Man har brug for en kvanteteori om tyngdekraft, ligesom loopkvantekosmologi, for at gå ud over Einstein for at fange den ægte fysik nær universets oprindelse.”
Hubble eXtreme Deep Field viser den fjerneste del af rummet, vi endnu har set i optisk lys. Det er vores dybeste blik endnu tilbage til tiden for det meget tidlige univers. Billedet blev udgivet den 25. september 2012 og samlet 10 år med tidligere billeder og viser galakser fra 13,2 milliarder år siden. Billedkredit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee og P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden Universitet; og HUDF09-teamet.
Tidligere arbejde med loop-kvante-kosmologi i Ashtekars gruppe havde opdateret konceptet med Big Bang med det spændende koncept om et Big Bounce, som tillader muligheden for, at vores univers ikke opstod fra intet andet end fra en superkomprimeret masse af stof, der tidligere kan have havde sin egen historie.
Selvom de kvantemekaniske betingelser i begyndelsen af universet var meget forskellige fra de klassisk-fysiske forhold efter inflationen, afslører Penn State-fysikernes nye præstation en overraskende forbindelse mellem de to forskellige paradigmer, der beskriver disse epoker. Når forskere bruger inflationsparadigmet sammen med Einsteins ligninger til at modellere udviklingen af de frølignende områder, der er sprøjtet gennem den kosmiske baggrundsstråling, finder de, at uregelmæssighederne fungerer som frø, der over tid udvikler sig til galakse-klyngerne og andre store strukturer, der vi ser i universet i dag. Forbløffende, da Penn State-forskerne brugte deres nye loop-kvante-oprindelses-paradigme med dets kvante-kosmologi-ligninger, fandt de, at grundlæggende udsving i rummets natur i øjeblikket af Big Bounce udvikler sig til at blive de frølignende strukturer, der ses i den kosmiske mikroovnbaggrund.
”Vores nye arbejde viser, at de oprindelige betingelser helt i begyndelsen af universet naturligt fører til den store skala af universet, som vi observerer i dag,” sagde Ashtekar. "På menneskelig vis er det som at tage et øjebliksbillede af en baby lige ved fødslen og derefter være i stand til at projicere ud fra det en nøjagtig profil af, hvordan denne person vil være i en alder af 100 år."
”Dette papir skubber genesen af den kosmiske struktur i vores univers tilbage fra den inflationsmæssige epoke helt til Big Bounce og dækker ca. 11 størrelsesordener i materialetætheden og rumtidens krumning,” sagde Nelson. "Vi har nu indsnævret de oprindelige betingelser, der kunne eksistere ved Big Bounce, plus vi finder ud af, at udviklingen af disse oprindelige betingelser stemmer overens med observationer af den kosmiske baggrundsstråling."
Holdets resultater identificerer også et snævrere interval af parametre, som det nye paradigme forudsiger nye effekter, idet det adskiller det fra standardinflation. Ashtekar sagde: ”Det er spændende, at vi snart muligvis kan teste forskellige forudsigelser fra disse to teorier mod fremtidige opdagelser med næste generations observationsopgaver. Sådanne eksperimenter vil hjælpe os med at fortsætte med at få en dybere forståelse af det meget, meget tidlige univers. ”
Via Penn State University