Stjörnurnar og vetrarbrautirnar sem við sjáum í dag voru ekki alltaf til og því lengra sem við förum, því nær alheimurinn verður fullkomlega sléttur, en það eru takmörk fyrir sléttunni sem það hefði getað náð, annars hefðum við ekki skipulag yfirleitt í dag. Til að útskýra þetta allt þurfum við breytingu á Miklahvell: heimsfræðileg verðbólga. (NASA, ESA og A. Feild (STScI))

Af hverju er alheimurinn okkar ekki fullkomlega sléttur?

Ef það væri, værum við ekki hér. En það er vísindalegt svar sem hefur verið fallega staðfest.

Þegar við skoðum alheiminn okkar og horfum út á reikistjörnurnar, stjörnurnar, vetrarbrautirnar og miklar kosmiskar tómar sem aðskilja þá, er „slétt“ ekki nákvæmlega fyrsta orðið sem kemur upp í hugann. Gífurlegur heimsborgin er einn af þeim klækilegustu hlutum sem hægt er að hugsa sér í alheiminum og er reikistjarna eins og jörðin 1030 sinnum þéttari en meðaltal. En alheimurinn var ekki alltaf svona klumpur, eða hann hefði ekki þróast til að birtast eins og við sjáum í dag. Það þurfti að fæðast nær fullkomlega slétt, þar sem ófullkomleikarnir voru aðeins nokkrir hlutar í 100.000, eða það hefði ekki tekið hundruð milljóna ára að mynda fyrstu vetrarbrautirnar. Samt voru þessi örsmáu ófullkomleikar lífsnauðsynlegir, eða við hefðum alls ekki myndað uppbygginguna sem við sjáum í dag! Eftir aldir þar sem ekki var skilið hvernig þetta gerðist veitti ein umdeildasta kenning heimsfræði, verðbólga, svarið. Og nú þegar mælingar okkar hafa náð áður óþekktri nákvæmni, þá spá spá sína fallega.

Sjónræn saga um stækkandi alheiminn nær yfir heitt, þétt ástand sem kallast Miklahvell og vöxtur og myndun uppbyggingar í kjölfarið. Til að fá uppbygginguna sem við sjáum í dag gat alheimurinn ekki getað fæðst fullkomlega sléttur. (NASA / CXC / M. Weiss)

Samkvæmt Cosmic verðbólgu, Hot Big Bang var ekki byrjunin á rými og tíma, heldur var það aðeins heitt, þétt og hratt vaxandi snemma ástand. Það var kosmísk verðbólga, áfangi þar sem alheimurinn stjórnaðist ekki af efni og geislun, heldur af orkunni sem fylgir rýminu sjálfu, sem setti upp Miklahvell. Þessi verðbólguáfangi einkenndist af veldisbundinni stækkun rýmis, þar sem alheimurinn tvöfaldaðist, fjórfaldaðist síðan, sveiflast síðan (o.s.frv.) Að stærð þegar fram liðu stundir. Eftir allt að 10–33 sekúndur hefði svæði á stærð við fræðilegan streng úr strengjafræði verið teygt út í stærri mælikvarða en áberandi alheimurinn er í dag. Með öðrum orðum, kosmísk verðbólga tekur það sem fyrir var og teygði hana virkilega, sannarlega og fullkomlega flatt og slétt.

Verðbólga veldur því að rými stækkar veldishraða, sem getur mjög fljótt leitt til þess að bogið eða slétt rými sem fyrir er, birtist flatt. Ef alheimurinn hefur einhverja sveigju við það yfirleitt, þá hefur hann bogadregis hundruð sinnum stærri en við getum séð. (E. Siegel (L); kennsla í námafræði Ned Wright (R))

Þetta virðist við fyrstu sýn skapa gífurleg vandamál. Ef verðbólga teygir rýmið til að vera flatt, einsleitt og slétt, aðgreinanlegt svo frá fullkomnun, hvernig komum við að klumpnum alheimi í dag? Bæði kenningar Newtons og Einsteins um þyngdarafl eru óstöðugar gegn ófullkomleika, sem þýðir að ef þú byrjar með nánast-en-ekki-alveg fullkomlega sléttan alheim, með tímanum munu ófullkomleikarnir vaxa og þú munt lenda í uppbyggingu. En ef þú byrjar á fullkominni sléttleika, og bókstaflega engin ófullkomleika, ætlarðu að vera slétt að eilífu. Samt slær þetta ekki saman við alheiminn sem við sjáum yfirleitt; það varð að hafa fæðst með ófullkomleika í þéttleika efnisins.

Kort af þyrpingar / þyrpingarmynstri sem vetrarbrautir í alheiminum okkar sýna í dag. Krafan um að komast þangað eru fyrstu ófullkomleikar í málinu / orkuþéttleiki. (Greg Bacon / STScI / NASA Goddard geimflugmiðstöð)

Þessi barnalegi verðbólga verður því að vera ófullkomin. Það verður að vera einhver leið til að búa til þessa ófullkomleika, annars væri alheimurinn ekki til eins og við sjáum hann. En mikilvæg eign alheimsins, og verðbólgu, bjargar á glæsilegasta hátt. Þú sérð, tómt rými sjálft er ekki fullkomlega flatt og slétt á eigin spýtur, heldur sýnir í litlum mælikvarða magnsveiflur.

Sjónræn útreikningur á skammtareitskenningu sem sýnir sýndar agnir í skammta tómarúminu. Jafnvel í tómu rými er þessi tómarúm orka ekki núll. (Derek Leinweber)

Það er hægt að skoða þetta á margan hátt: felst óvissa í orku rýmisins; sem lofttæmissveiflur; eða sem sett af ögn-andstæðingur-ögn par skjóta út og inn af tilverunni. En óháð því hvernig þú lítur á það, þá er eitt skýrt: Ef þú myndir mynda orkuþéttleika alheimsins og horfa á hann á mjög litlum og kornóttum vog, myndirðu sjá að hann var ekki einsleitur og stöðugur í rúminu eða tíma, jafnvel þó að þú fjarlægðir allt málið og geislun frá því. Það eru skammtímasveiflur sem fylgja eðli rýmis sjálfs.

Líking á alheiminum snemma og samanstendur af skammtafrumu, þar sem skammtímasveiflur eru stórar, fjölbreyttar og mikilvægar á minnstu mælikvarða. (NASA / CXC / M.Weiss)

Venjulega hætta þessar sveiflur hver annarri að meðaltali, og því vindur þú bara upp með örsmáa núllpunktaorku sem er jákvæð sem felst í rýminu sjálfu. En meðan á verðbólgu stendur, hafa þessar skammtímasveiflur ekki tækifæri til að meðaltali út, vegna þess að rýmið sjálft stækkar á þessu veldisvísi!

Í staðinn er það sem gerist að þessar sveiflur teygja sig yfir alheiminn og því er hugmyndin um skammtímasveiflu ekki lengur takmörkuð í mjög litlum mæli. Í tímamörkum sem eru aðeins örlítið brot úr sekúndu að lengd geta þessi skammtaáhrif teygst til að vera sveiflur í orku á stjörnu-, vetrarbrautar- eða jafnvel alheimsvogum!

Skammtasveiflurnar sem verða við verðbólgu teygja sig að vísu um alheiminn, en þær valda einnig sveiflum í heildarorkuþéttleika, sem gefur okkur eitthvað magn af staðbundinni sveigju sem er eftir í alheiminum í dag. Þessar akursveiflur valda ófullkomleika í þéttleika snemma í alheiminum, sem leiða síðan til hitasveiflanna sem við upplifum í kosmískum örbylgjuofngrunni. (E. Siegel / Beyond the Galaxy)

Þegar verðbólga heldur áfram skapast nýjar skammtímasveiflur sem leiða til viðbótar minni sveiflna sem eru lagðar ofan á þær stærri. Þetta gengur áfram og býr til, sveiflur muna og handahófi svæði af öllum stærðum sem eru með ofþéttan og óþéttan orkutegund, svo lengi sem verðbólga heldur áfram.

Síðan eftir óákveðinn tíma lýkur verðbólgan. Og þegar þetta gerist verður allri þeirri orku sem felst í geimnum sjálfum breytt í efni, andstæðingur og geislun. Þegar verðbólgu lýkur byrjar hin mikla Bang Bang og alheimurinn fyllist af efni.

Samlíkingin á kúlu sem rennur yfir hátt yfirborð er þegar verðbólga er viðvarandi, meðan uppbyggingin molnar og losar orku táknar umbreytingu orku í agnir. (E. Siegel)

En á þeim svæðum sem upphaflega voru of þung til að byrja með hvað varðar orku, vegna þessara skammtímasveiflna meðan á verðbólgu stendur, mun örlítið meira efni, andstæðingur og geislun en meðaltal koma til á þessum stöðum. Á svæðum sem voru undirþétt, mun aðeins minna efni en meðalmeðaltal og geislun koma þar til. Og þetta litróf yfir ofgnótt og vanþéttleika ætti að leiða til sífellt svalari og heitari svæða, hvað varðar hitastig, í alheiminum fyrir vikið.

Svæði rýmis, sem eru aðeins þéttari en meðaltal, munu skapa stærri mögulega holu til að klifra upp úr, sem þýðir að ljósið sem myndast frá þessum svæðum virðist kaldara þegar það kemur fyrir augu okkar. Öfugt, undirþétt svæði munu líta út eins og heitar blettir, en svæði með fullkomlega meðalþéttleika munu hafa fullkomlega meðalhita. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Eftir að alheimurinn hefur verið til í smá stund, stækkað og kólnað, fær þyngdarafl að virka. Þetta eykur sveiflurnar sem voru fyrir hendi í hvaða átt sem þeir fóru frá meðaltali. Örlítið heitari svæðin, þar sem þau eru undirþétt, munu auðveldara gefa upp mál sitt til þéttari svæða. Kaldri svæðin, þar sem þau eru of þétt, munu helst laða að mál skilvirkari en vanþétt svæði eða meðalþéttleiki.

Það er flókið jafnvægi milli þyngdaraflsins, sem vinnur að því að laða allt saman samkvæmt rökfræðinni hér að ofan, og geislun, sem þrýstir á móti svæðum sem verða of þétt of fljótt. Það er þetta samspil krafta, milli þyngdarafls, geislunar og fyrstu sveiflna frá verðbólgu, sem vekur högg, sveiflur og ófullkomleika sem við sjáum í heimsins örbylgjuofni.

Sveiflurnar í CMB byggjast á frumsveiflum sem verða til við verðbólgu. Sérstaklega hefur 'flata hlutinn' á stórum vogum (vinstra megin) enga skýringu án verðbólgu, en samt takmarkar sveiflurnar umfang hámarks orkuskala sem alheimurinn náði í lok verðbólgu. Það er miklu lægra en Planck kvarðinn. (NASA / WMAP Science Team)

Upphafssveiflur, að meðaltali, hljóta að hafa meðalgildið 1-hluti-í-30.000 eða svo, og það er hvernig við komumst að sveiflunum sem við blasir í afgangsglóði Big Bang. Þessar sveiflur vaxa síðan, eftir að alheimurinn verður hlutlaus og geislunin hættir að dreifast frá rafeindum, til að framleiða þá stærri uppbyggingu sem við sjáum í alheiminum í dag. Með tímanum leiðir það til þyngdaraukningar í stjörnum, vetrarbrautum, þyrpingum og miklum kosmískum tómum sem aðgreina þær.

Ítarlegt yfirlit yfir alheiminn sýnir að það er úr efni en ekki mótvægisefni, að krafist er dökks efnis og dökkrar orku og að við vitum ekki uppruna einhvers þessara leyndardóma. Sveiflurnar í CMB, myndun og fylgni milli stærðar uppbyggingar og nútímalegra athugana á þyngdarlinsun benda öll til sömu myndar og eru upprunnin frá kosmískri verðbólgu. (Chris Blake og Sam Moorfield)

Ef alheimurinn fæddist fullkomlega sléttur væri engin leið að fá nákvæma uppbyggingu, bæði á stórum vog og litlum, sem við höfum í dag. Athuganir okkar krefjast þess að einhvern veginn séu sveiflur af sömu stærðargráðu til á öllum kvarða og að alheimurinn þyrfti að fæðast með þessum hætti. Þegar verðbólgan var fyrst kenning seint á áttunda áratugnum og snemma á níunda áratugnum var engin leið að vita hvernig þessar sveiflur myndu reynast; þetta var spá sem verðbólgan gerði að yrði ekki staðfest í áratugi! Samt sem áður er staðfestingin stórbrotin, þar sem engin önnur kenning hefur leið til að skapa þessar sveiflur og athuganirnar samsvöruðu því sem verðbólgan spáði á fullkominn, óumræðanlegan hátt þar sem gervitungl eins og COBE, WMAP og nú síðast, Planck, skiluðu gögnum sínum.

Skammtasveiflur sem verða við verðbólgu teygja sig um alheiminn og þegar verðbólgu lýkur verða þær sveiflur í þéttleika. Þetta leiðir með tímanum til stórfellds uppbyggingar í alheiminum í dag, svo og sveiflum í hitastigi sem sést í CMB. (E. Siegel, með myndum unnum úr ESA / Planck og DoE / NASA / NSF milligönguverkefna vegna rannsókna á CMB)

Útkoman er saga svo sannfærandi og í samræmi við gögnin að það er nánast enginn valkostur. Verðbólga er ekki bara það sem gerðist við að koma upp Miklahvell eða leysa ýmis vandamál sem við vissum áður; það gerði magnspá um hvað við gætum búist við að væri í alheiminum, allt frá fyrstu tímum til nútímalegra, og athuganir hafa staðfest það. Verðbólga, og skammtað eðli hennar, er ástæðan fyrir því að alheimurinn er ekki fullkomlega sléttur í dag og það er mjög gott. Án hennar hefði aldrei verið mögulegt fyrir okkur að vera til.

Starts With A Bang er nú á Forbes og endurútgefið á Medium þökk sé stuðningsmönnum okkar Patreon. Ethan hefur verið höfundur tveggja bóka, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.