Timpul A Avut Un Început?

Când ne uităm la Univers astăzi, știm cu o sumă extraordinar de certitudine științifică, care nu a fost creat pur și simplu ca atare, dar a evoluat la actuala configurație a lungul a miliarde de ani de istorie cosmică. Putem folosi ceea ce vedem astăzi, atât în apropiere, cât și la distanțe mari, pentru a extrapola ceea ce a fost universul cu mult timp în urmă și pentru a înțelege cum a ajuns să fie așa cum este acum.,când ne gândim la originile noastre cosmice, atunci, este doar uman să punem cele mai fundamentale dintre toate întrebările posibile: de unde au venit toate acestea? A trecut mai mult de o jumătate de secol de la prima robust și unic previziunile de la Big Bang au fost confirmate, ceea ce duce la imaginea modernă a unui Univers care a început de la o stare fierbinte, dens unele 13.8 miliarde de ani în urmă. Dar în căutarea noastră pentru început, știm deja că timpul nu ar fi putut începe cu Big Bang. De fapt, s-ar putea să nu fi avut deloc un început.,după Big Bang, universul era aproape perfect uniform și plin de materie, energie și… radiații într-o stare în expansiune rapidă. Pe măsură ce timpul trece, Universul nu numai că formează elemente, atomi și aglomerări și clustere care duc la stele și galaxii, dar se extinde și răcește tot timpul. Nici o alternativă nu se poate potrivi, dar nu ne învață totul, inclusiv (și mai ales) despre începutul în sine.

NASA/GSFC

ori de câte ori ne gândim la ceva, aplicăm logica noastră foarte umană., Dacă vrem să știm de unde a venit Big Bang-ul, îl descriem în termenii cei mai buni pe care îi putem, și apoi teoretizăm despre ce ar fi putut să-l provoace și să-l înființeze. Căutăm dovezi care să ne ajute să înțelegem începuturile Big Bang-ului. La urma urmei, de aici vine totul: din procesul care ia dat startul.

dar acest lucru presupune ceva ce poate să nu fie adevărat despre universul nostru: că a avut de fapt un început. Multă vreme, din punct de vedere științific, nu am știut dacă acest lucru este adevărat sau nu. A avut Universul un început sau un timp înainte de care nu a existat nimic?, Sau a existat Universul pentru o eternitate, ca o linie infinită care se extinde în ambele direcții? Sau, foarte posibil, este universul nostru ciclic ca circumferința unui cerc, unde se repetă mereu și mereu la nesfârșit?cele trei posibilități majore pentru modul în care se comportă timpul în universul nostru sunt că timpul a existat întotdeauna… și va exista întotdeauna, acel timp a existat doar pentru o durată finită dacă extrapolăm înapoi, sau acel timp este ciclic și se va repeta, fără început și fără sfârșit., Big Bang-ul părea că a oferit un răspuns pentru un timp, dar de atunci a fost înlocuit, cufundându-ne originile înapoi în incertitudine.

E. Siegel

pentru un timp, au existat mai multe idei concurente care au fost toate în concordanță cu observațiile pe care le-am avut.

1. Un univers în expansiune ar fi putut proveni dintr — un punct singular — un eveniment în spațiu-timp-în care tot spațiul și timpul au apărut dintr-o singularitate.
2. Universul s-ar putea extinde astăzi, deoarece se contracta în trecut și se va contracta din nou în viitor, prezentând o soluție oscilantă.,
3. în cele din urmă, universul în expansiune ar fi putut fi o stare eternă, în care spațiul se extinde acum și ar fi fost și ar fi fost întotdeauna, unde materia nouă este creată continuu pentru a menține densitatea constantă.aceste trei exemple reprezintă cele trei opțiuni majore: Universul a avut un început singular, Universul este de natură ciclică sau universul a existat întotdeauna. În anii 1960, cu toate acestea, un nivel scăzut de radiații cu microunde a fost găsit peste tot pe cer, schimbând povestea pentru totdeauna.,conform observațiilor originale ale lui Penzias și Wilson, planul galactic a emis unele… surse astrofizice de radiații( centru), dar deasupra și dedesubt, tot ce a rămas a fost un fundal aproape perfect, uniform de radiații. Temperatura și spectrul acestei radiații au fost acum măsurate, iar acordul cu predicțiile Big Bang-ului este extraordinar. echipa de știință NASA / WMAP

   această radiație nu a fost doar aceeași magnitudine peste tot, ci și aceeași în toate direcțiile., La doar câteva grade peste zero absolut, a fost în concordanță cu Universul emergente dintr-o mai devreme, cald și dens de stat, și de răcire ca s-a extins.pe măsură ce tehnologia îmbunătățită și tehnicile noi au condus la date mai bune, am aflat că spectrul acestei radiații avea o formă particulară: cea a unui corp negru aproape perfect. Un negru este ceea ce obțineți dacă aveți un absorbant perfect de radiații încălzit până la o anumită temperatură specifică. Dacă universul se extinde și se răcește fără a-și schimba entropia (adică.,, adiabatic), ceva care începe cu un spectru de negru va rămâne un negru, chiar dacă se răcește. Această radiație nu a fost doar în concordanță cu strălucirea rămasă de la Big Bang, dar a fost incompatibilă cu alternative cum ar fi lumina obosită sau lumina reflectată a stelelor.

   predicția unică a modelului Big Bang este că ar exista o strălucire rămasă de radiație… pătrunzând întregul univers în toate direcțiile., Radiația ar fi cu doar câteva grade peste zero absolut, ar avea aceeași magnitudine peste tot și ar respecta un spectru perfect al corpului negru. Aceste predicții au fost susținute spectaculos de bine, eliminând alternative precum teoria stării de echilibru din viabilitate.NASA / Goddard Space Flight Center / COBE (main); Princeton Group, 1966 (inset)

   conform Big Bang-ului, Universul a fost mai fierbinte, mai dens, mai uniform și mai mic în trecut., Are doar proprietățile pe care le vedem astăzi, deoarece se extinde, se răcește și se confruntă cu influența gravitației atât de mult timp. Deoarece lungimea de undă a radiației se întinde pe măsură ce universul se extinde, un univers mai mic ar fi trebuit să aibă radiații cu lungimi de undă mai scurte, ceea ce înseamnă că avea energii mai mari și temperaturi mai mari.cu miliarde de ani în urmă, era atât de fierbinte încât nici atomii neutri nu se puteau forma fără să fie distruși., Chiar mai devreme de atât, radiațiile de microunde de astăzi erau atât de energice încât dominau materia în ceea ce privește conținutul energetic al Universului. La vremuri chiar mai devreme, nucleele atomice au fost imediat distruse, iar la cele încă mai devreme, nu am putut crea nici măcar protoni și neutroni stabili.o istorie vizuală a universului în expansiune include starea fierbinte, densă cunoscută sub numele de Big Bang și… creșterea și formarea structurii ulterior., Suita completă de date, inclusiv observațiile elementelor luminoase și fundalul cosmic cu microunde, lasă doar Big Bang-ul ca o explicație validă pentru tot ceea ce vedem. Pe măsură ce universul se extinde, se răcește și el, permițând formarea ionilor, atomilor neutri și eventual a moleculelor, a norilor de gaz, a stelelor și, în final, a galaxiilor.NASA / CXC / M. Weiss

   dacă extrapolăm tot drumul înapoi, la temperaturi arbitrar de calde, distanțe mici și densități ridicate, ați intui că acest lucru ar echivala cu adevărat cu începutul., Dacă ați fi dispuși să rulați ceasul înapoi cât de mult ați putea, tot spațiul care formează universul nostru vizibil astăzi ar fi comprimat până la un singur punct.

   acum ,este adevărat că dacă te-ai duce în aceste condiții extreme, comprimând toată materia și energia prezentă în universul de astăzi într-un volum suficient de mic de spațiu, legile fizicii s-ar descompune. Ați putea încerca să calculați diferite proprietăți, dar veți obține doar prostii pentru răspunsuri. Aceasta este ceea ce descriem ca o singularitate: un set de condiții în care timpul și spațiul nu au sens., La prima vedere, dacă faci matematica, se pare că o singularitate este inevitabilă, indiferent de ceea ce domină conținutul energetic al Universului.singularitățile sunt acolo unde legea gravitației care guvernează universul-relativitatea generală a lui Einstein-produce prostii pentru predicții. Relativitatea, amintiți-vă, este teoria care descrie spațiul și timpul. Dar la singularități, dimensiunile spațiale și temporale încetează să mai existe. A pune întrebări de genul „ce a venit înainte de acest eveniment în care a început timpul” este la fel de lipsit de sens ca a întreba „unde sunt eu” dacă spațiul nu mai există.,într-adevăr, acesta este argumentul pe care mulți îl fac, inclusiv Paul Davies, atunci când susțin că nu se poate discuta despre ceea ce sa întâmplat înainte de Big Bang. Aceasta este o tautologie, desigur, dacă afirmați că Big Bang-ul este locul unde a început timpul. Dar oricât de interesant ar fi acest argument, știm că Big Bang-ul nu mai este locul unde a început timpul. De când am făcut măsurători moderne și detaliate ale cosmosului, am învățat că această extrapolare la o singularitate trebuie să fie greșită.,

   strălucirea rămasă din Big Bang, CMB, nu este uniformă, dar are mici imperfecțiuni și… fluctuațiile de temperatură pe scara de câteva sute de microkelvin. În timp ce acest lucru joacă un rol important în vremurile târzii, după creșterea gravitațională, este important să ne amintim că universul timpuriu, și Universul la scară largă de astăzi, este doar neuniform la un nivel care este mai mic de 0,01%. Planck a detectat și măsurat aceste fluctuații la o precizie mai bună decât oricând și poate chiar să dezvăluie efectele neutrinilor cosmici asupra acestui semnal., Proprietățile acestor fluctuații susțin puternic o origine inflaționistă a universului nostru observabil.

   ESA și colaborarea Planck

   în special, tiparele și magnitudinile fluctuațiilor pe care le-am descoperit în radiația modernă rămasă din acea stare timpurie, fierbinte și densă ne învață o serie de proprietăți importante despre universul nostru. Ei ne învață cât de multă materie a fost prezentă în materia întunecată, precum și în materia normală: protoni, neutroni și electroni., Ele ne oferă o măsurare a curburii spațiale a universului, precum și prezența energiei întunecate și efectele neutrinilor.

   dar, de asemenea, ne spun ceva de o importanță vitală care este adesea trecut cu vederea: ne spun dacă a existat o temperatură maximă pentru Univers în primele sale etape. Conform datelor de la WMAP și Planck, Universul nu a atins niciodată o temperatură mai mare de aproximativ 1029 K. acest număr este enorm, dar este de peste 1.000 de ori mai mic decât temperaturile de care avem nevoie pentru a echivala cu o singularitate.,întreaga noastră istorie cosmică este teoretic bine înțeleasă, dar numai calitativ. A trecut… confirmând observațional și dezvăluind diferite etape din trecutul universului nostru care trebuie să fi avut loc, ca atunci când s-au format primele stele și galaxii și modul în care Universul s-a extins în timp, că putem ajunge cu adevărat să înțelegem cosmosul nostru. Semnăturile relicve imprimate pe universul nostru dintr-o stare inflaționistă înainte de Big Bang-ul fierbinte ne oferă o modalitate unică de a testa istoria noastră cosmică.,

   Nicole Rager Fuller / National Science Foundation

   proprietățile particulare ale Universului care sunt imprimate pe el din primele etape oferă o fereastră în procesele fizice care au avut loc în acele vremuri. Nu numai că ne spun că nu putem extrapola Big Bang-ul până la o singularitate, dar ne spun despre starea care a existat înainte de (și a înființat) Big Bang-ul fierbinte: o perioadă de Inflație cosmică.,

   în timpul inflației, a existat o cantitate imensă de energie inerentă spațiului în sine, determinând Universul să se extindă atât rapid, cât și neîncetat: într-o rată exponențială. Această perioadă de inflație a avut loc înainte de Big Bang-ul fierbinte, a stabilit condițiile inițiale cu care a început universul nostru și a lăsat o serie de amprente unice pe care le-am căutat și le-am descoperit după ce teoria le-a prezis deja. Prin orice metrică, inflația este un succes extraordinar.,fluctuațiile cuantice care apar în timpul inflației se întind de-a lungul universului și când… inflația se termină, ele devin fluctuații de densitate. Acest lucru duce, în timp, la structura pe scară largă din Univers astăzi, precum și la fluctuațiile de temperatură observate în CMB. Aceste noi predicții sunt esențiale pentru a demonstra validitatea unui mecanism de reglare fină și au validat inflația ca noua noastră teorie principală despre cum a început Big Bang-ul nostru.

   E., Siegel, cu imagini derivate din ESA / Planck și Doe/ NASA / NSF task force interagency privind cercetarea CMB

   dar acest lucru modifică grav concepțiile noastre despre cum a început universul. Mai devreme, v-am prezentat un grafic al modului în care dimensiunea (sau scara) universului a evoluat cu timpul. Graficul afișa diferențele dintre modul în care Universul s-ar extinde dacă ar fi dominat de materie (în roșu), radiație (în albastru) sau spațiu în sine (cum ar fi în timpul inflației, în galben) la momente timpurii. Cu toate acestea, nu am fost complet sincer cu tine în afișarea acelui grafic.,vedeți ,am omis ceva în graficul anterior, pentru că l-am trunchiat într-un timp pozitiv, finit. Cu alte cuvinte, am oprit graficul înainte de a ajunge la o dimensiune de zero. Dacă ar fi să continui să extrapolez înapoi, curbele materiei și radiațiilor ating într-adevăr o singularitate la un moment dat: t = 0. Asta ar fi fost în cazul în care ideea inițială a avut loc Big Bang. Dar într-un univers inflaționist, tu asimptotezi doar la o dimensiune de zero; nu ajungi niciodată la ea. Nu la un anumit moment de t=0, și nu la un moment timpuriu, indiferent cât de departe te duci înapoi.,liniile albastre și roșii reprezintă un scenariu Big Bang „tradițional”, în care totul începe la ora t=0,… inclusiv spațiu-timp în sine. Dar într-un scenariu inflaționist (galben), nu ajungem niciodată la o singularitate, în care spațiul merge într-o stare singulară; în schimb, poate deveni arbitrar de mic în trecut, în timp ce timpul continuă să meargă înapoi pentru totdeauna. Condiția Fără limită Hawking-Hartle contestă longevitatea acestei stări, la fel ca teorema Borde-Guth-Vilenkin, dar nici una nu este un lucru sigur.

   E., Ca multe descoperiri mari în știință, acest lucru duce la o mulțime de noi Întrebări încântătoare, inclusiv:

   1. a fost starea inflaționistă una constantă? Nu știm dacă universul s-a umflat în același ritm peste tot sau dacă s-a umflat pentru perioade lungi de timp. Dacă Universul s-ar umfla în moduri care s-ar schimba foarte repede de la un moment la altul, variind de la locație la locație, ar putea avea în continuare proprietățile pe care le observăm astăzi.
   2. a durat starea inflaționistă pentru totdeauna, mergând înapoi în timp?, Inflația are cu siguranță potențialul de a fi o stare eternă; credem în regiunile în care nu se termină într-un Big Bang fierbinte, continuă veșnic în viitor. Dar ar fi putut fi, de asemenea, etern pentru trecut? Cu nimic nu o interzice, trebuie să luăm în considerare posibilitatea.
   3. este inflația conectată la energia întunecată, care este, de asemenea, o formă de expansiune exponențială? Deși sunt diferite ca scară și magnitudine, inflația cosmică în stadiu incipient și energia întunecată în stadiu târziu oferă aceeași formă matematică pentru expansiunea Universului., Sunt aceste două etape legate și va crește expansiunea noastră viitoare în forță și va întineri universul nostru, ca un fel de ciclu cosmic?
   diferitele moduri în care energia întunecată ar putea evolua în viitor. Rămâne constantă sau în creștere în… forța (într-o ruptură mare) ar putea întineri universul, în timp ce inversarea semnului ar putea duce la o criză mare. În oricare dintre aceste două scenarii, timpul poate fi ciclic, în timp ce, dacă nici nu devine realitate, timpul ar putea fi finit sau infinit în durată până în trecut.

   NASA/CXC / M.,Weiss

   observațional, nu știm răspunsul la niciuna dintre aceste întrebări. Universul, în măsura în care îl putem observa, conține doar informații din ultimele 10-33 de secunde de inflație. Orice s — a întâmplat înainte de asta-care include orice ne-ar spune cum — sau-dacă inflația a început și care a fost durata ei-este șters, în măsura în care ceea ce este observabil pentru noi, prin natura inflației în sine.

   Teoretic, nu ne descurcăm mult mai bine., Teorema Borde-Guth-Vilenkin ne spune că toate punctele din Univers, dacă extrapolați suficient de departe, se vor contopi și că inflația nu poate descrie un spațiu-timp complet. Dar asta nu înseamnă neapărat că o stare de umflare nu ar fi putut dura la nesfârșit; ar putea la fel de ușor implica faptul că regulile noastre actuale de fizică sunt incapabile să descrie cu exactitate aceste etape timpurii.cele trei posibilități majore pentru modul în care se comportă timpul în universul nostru sunt că timpul a existat întotdeauna…, și va exista întotdeauna, acel timp a existat doar pentru o durată finită dacă extrapolăm înapoi, sau acel timp este ciclic și se va repeta, fără început și fără sfârșit. Nu avem suficiente informații în universul nostru, astăzi, pentru a ști care dintre aceste posibilități este exactă.

   E. Siegel

   Chiar dacă putem trasa istoria cosmică tot drumul înapoi la primele etape de Big Bang, care nu este suficient pentru a răspunde la întrebarea cum (sau dacă) a început timpul., Mergând chiar mai devreme, până la etapele finale ale inflației cosmice, putem afla cum a fost înființat și a început Big Bang-ul, dar nu avem informații observabile despre ceea ce s-a întâmplat înainte de asta. Ultima fracțiune de secundă a inflației este locul unde se termină cunoștințele noastre.la mii de ani după ce am prezentat cele trei posibilități majore pentru cum a început timpul — ca și cum a existat întotdeauna, ca și cum a început o durată finită în trecut sau ca fiind o entitate ciclică — nu suntem mai aproape de un răspuns definitiv., Dacă timpul este finit, infinit sau ciclic nu este o întrebare la care avem suficiente informații în universul nostru observabil pentru a răspunde. Dacă nu găsim o nouă modalitate de a obține informații despre această întrebare profundă, existențială, răspunsul poate fi pentru totdeauna dincolo de limitele a ceea ce este cunoscut.