I seks måneder hvert år har de flerårige mørke og vind feide slettene på den sørlige polare iskappen en gjennomsnittstemperatur på omtrent 58 grader Fahrenheit under null. Om sommeren, når solen kommer tilbake for sin seks måneder lange dag, blir det islagte terrenget neppe mer innbydende, med temperaturer som klatrer til minus 20 grader. Ikke den typen sted de fleste av oss ville valgt å besøke.
Relatert innhold
- Se universet utvikle seg over 13 milliarder år
- Den store "gravitasjonsbølgen" som kan finne, kan faktisk ha vært noe støv
- The Science of Monday's Big “Gravitational Wave” -ting forklart på to minutter
- En ny kosmisk oppdagelse kan være den nærmeste vi har kommet til begynnelsen av tiden
Men hvis du er en astronom som søker en samling fotoner som har strømmet mot oss siden like etter Big Bang, så er South Pole's Dark Sector Laboratory hva Met er til opera eller Yankee Stadium til baseball. Det er det fremste stedet å utøve din handel. Med den kaldeste og tørreste luften på jorden lar atmosfæren fotoner reise praktisk talt uhindret, noe som gir de skarpeste landbaserte rombilder som noen gang er tatt.
I tre år modet et team av astronomer ledet av Harvard-Smithsonian forsker John Kovac elementene for å peke et brawnt teleskop kjent som Bicep2 (et forkortelse for den mindre eufoniske bakgrunnen Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) på en lapp på den sørlige himmelen. I mars slapp teamet resultatene. Skulle konklusjonene stå, vil de åpne et spektakulært nytt vindu på de tidligste øyeblikkene i universet, og vil fortjent rangere blant de viktigste kosmologiske funnene fra det forrige århundre.
Det er en historie hvis røtter kan spores tilbake til historier om tidlig skapelse som er ment å tilfredsstille den primære trangen til å forstå vår opprinnelse. Men jeg vil hente historien senere - med Albert Einsteins oppdagelse av den generelle relativitetsteorien, det matematiske grunnlaget for rom, tid og all moderne kosmologisk tanke.
Fokalplanet til Bicep2-teleskopet, vist under et mikroskop, ble utviklet av NASAs Jet Propulsion Laboratory. (Anthony Turner / JPL) 
Gravitasjonsbølger strukket av inflasjon genererer et svakt, men særegent mønster, kalt B-modus signal, fanget av Bicep2. (BICEP2) 
Under inflasjonen (vist til venstre) presset en gravitasjonskraft utover, og strakte universet i en liten brøkdel av et sekund. (WMAP) Bicep2-teleskopet, vist ved skumring, oppnådde den første deteksjonen av et forutsagt gravitasjonsbølgemønster, har teamet kunngjort. (Steffen Richter / Harvard University) Warped Space til Big Bang
I de første årene av 1900-tallet omskrev Einstein rom- og tidens regler med sin spesielle relativitetsteori. Inntil da holdt de fleste alle seg til det Newtonske perspektivet - det intuitive perspektivet - der rom og tid gir en uforanderlig arena der hendelser finner sted. Men som Einstein beskrev det, våren 1905 løsnet det en storm i tankene hans, en voldsom nedbør av matematisk innsikt som feide bort Newtons universelle arena. Einstein hevdet overbevisende at det ikke er noen universell tid - klokker i bevegelse tikker saktere - og at det ikke er noe universelt rom - herskere i bevegelse er kortere. Den absolutte og uforanderlige arenaen ga vei til et rom og tid som var formbar og fleksibel.
Etter denne suksessen, viste Einstein seg til en enda brattere utfordring. I godt over to århundrer hadde Newtons universelle tyngdelov gjort en imponerende jobb med å forutsi bevegelsen til alt fra planeter til kometer. Likevel var det et puslespill som Newton selv artikulerte: Hvordan utøver tyngdekraften sin innflytelse? Hvordan påvirker Solen Jorden over 93 millioner miles i det vesentlige tomt rom? Newton hadde levert en bruksanvisning som lot den matematisk dyktige beregne effekten av tyngdekraften, men han klarte ikke å kaste panseret opp og avsløre hvordan tyngdekraften gjør det den gjør.
På leting etter svaret engasjerte Einstein i et tiår langt tvangstanker, grueling odyssey gjennom arcane matematikk og kreative flyvninger av fysisk fancy. I 1915 flammet hans geni gjennom de endelige likningene av den generelle relativitetsteorien, og avslørte til slutt mekanismen som ligger til grunn for tyngdekraften.
Svaret? Plass og tid. Allerede frakoblet fra deres Newtonianske grunnlag av spesiell relativitet, rom og tid sprang fullt ut til livet i generell relativitet. Einstein viste at mye som et skjevt tregulv kan dytte en bølgende marmor, rom og tid kan selv fordreie seg, og pushe jordiske og himmelske kropper for å følge banene som lenge tilskrives tyngdekraften.
Imidlertid abstrakte formuleringen, generell relativitet gjorde definitive spådommer, noen av dem ble raskt bekreftet gjennom astronomiske observasjoner. Dette inspirerte matematisk orienterte tenkere over hele verden til å utforske teoriens detaljerte implikasjoner. Det var arbeidet til en belgisk prest, Georges Lemaître, som også hadde en doktorgrad i fysikk, som avanserte historien vi følger. I 1927 brukte Lemaître Einsteins ligninger av generell relativitet ikke på objekter i universet, som stjerner og sorte hull, men på hele universet selv. Resultatet slo Lemaître tilbake på hælene. Regnestykket viste at universet ikke kunne være statisk: Stoffets rom var enten å strekke seg eller trekke seg sammen, noe som medførte at universet enten vokste i størrelse eller krympet.
Da Lemaître varslet Einstein om det han hadde funnet, spottet Einstein. Han trodde Lemaître presset regnestykket for langt. Einstein var så sikker på at universet som helhet var evig og uforanderleg, at han ikke bare avfeide matematiske analyser som vitnet om det motsatte, han satte inn en beskjeden endring i likningene for å sikre at matematikken skulle imøtekomme hans fordommer.
Og fordommer var det. I 1929 avslørte de astronomiske observasjonene av Edwin Hubble ved hjelp av det kraftige teleskopet ved Mount Wilson Observatory at fjerne galakser alle styrter bort. Universet ekspanderer. Einstein ga seg selv en eufemistisk smekk i pannen, en irettesettelse for å ikke stole på resultater som kom ut av sine egne ligninger, og brakte tankegangen - og likningene - i tråd med dataene.
Stor fremgang, selvfølgelig. Men ny innsikt gir nye gåter.
Som Lemaître hadde påpekt, hvis rom nå ekspanderer, så konkluderer vi ved å vikle den kosmiske filmen omvendt at det observerbare universet var stadig mindre, tettere og varmere stadig lenger tilbake i tid. Den tilsynelatende uunngåelige konklusjonen er at universet vi ser stammet fra en fenomenalt bittesmå flekk som brøt ut, og sendte rom hevelse utover - det vi nå kaller Big Bang.
Men hvis sant, hva sendte plass hevelse? Og hvordan kunne et slikt utlandsk forslag testes?
Inflasjonsteorien
Hvis universet kom ut fra et svulmende varmt og intenst tett urealatom, som Lemaître kalte det, så burde verdensrommet ha avkjølt seg når verdensrommet svulmet. Beregninger foretatt ved George Washington University på 1940-tallet, og senere på Princeton på 1960-tallet, viste at Big Bangs gjenværende varme ville manifestere seg som et bad med fotoner (lyspartikler) jevn fyllingsplass. Temperaturen på fotonene ville nå ha falt til bare 2, 7 grader over absolutt null, og plassert deres bølgelengde i mikrobølgedelen av spekteret - noe som forklarer hvorfor denne mulige relikvien til Big Bang kalles den kosmiske mikrobølgebakgrunnen.
I 1964 var to Bell Labs-forskere, Arno Penzias og Robert Wilson, ved vettet, frustrerte over en stor bakkebasert antenne designet for satellittkommunikasjon. Uansett hvor de pekte antennen, møtte de lydfilens mareritt: en kontinuerlig sus. I flere måneder søkte de, men klarte ikke å finne kilden. Deretter fanget Penzias og Wilson vind av de kosmologiske beregningene som ble gjort på Princeton og antydet at det skulle være et lavnivå for strålingsfyllingsrom. Det ustanselige suset, skjønte forskerne, stammet fra Big Bangs fotoner som kilde antennens mottaker. Oppdagelsen tjente Penzias og Wilson Nobelprisen i 1978.
Fremtredenen av Big Bang-teorien traff sky, og imponerende forskere til å lirke teorien fra hverandre, og søke uventede implikasjoner og mulige svakheter. En rekke viktige spørsmål ble brakt fram, men det viktigste var også det mest
grunnleggende.
The Big Bang blir ofte beskrevet som den moderne vitenskapelige teorien om skapelse, det matematiske svaret på Genesis. Men denne forestillingen skjuler en vesentlig feilslutning: Big Bang-teorien forteller oss ikke hvordan universet begynte . Det forteller oss hvordan universet utviklet seg, og begynte et lite brøkdel av et sekund etter at det hele startet. Idet den kosmiske filmen som spoles tilbake nærmer seg den første rammen, brytes matematikken, og lukker linsen akkurat som skapelseshendelsen er i ferd med å fylle skjermen. Og så, når det gjelder å forklare selve smellet - det urokkelige presset som må ha satt universet i forkant på sin ekspansive kurs - er Big Bang-teorien taus.
Det ville falle en ung postdoktor i fysikkavdelingen ved Stanford University, Alan Guth, å ta det viktige skrittet mot å fylle dette gapet. Guth og hans samarbeidspartner Henry Tye fra Cornell University prøvde å forstå hvordan visse hypotetiske partikler kalt monopoler kan produseres i universets tidligste øyeblikk. Men kalkulerende innerst natten til 6. desember 1979, tok Guth arbeidet i en annen retning. Han innså at ikke bare viste likningene at generell relativitet plugget et essensielt gap i Newtonsk tyngdekraft - som ga tyngdekraften mekanisme - de avslørte også at tyngdekraften kunne oppføre seg på uventede måter. I følge Newton (og hverdagserfaring) er tyngdekraften en attraktiv kraft som trekker det ene objektet mot et annet. Ligningene viste at i Einsteins formulering kunne tyngdekraften også være frastøtende.
Tyngdekraften til kjente objekter, som sol, jord og måne, er helt sikkert attraktiv. Men matematikken viste at en annen kilde, ikke en klump av materie, men i stedet energi forankret i et felt som jevnt fyller et område, ville generere en gravitasjonskraft som ville skyve utover. Og voldsomt. En region bare en milliarddel av en milliardedels millimeter av en centimeter over, fylt med det passende energifeltet - kalt oppblåsningsfeltet - ville bli skrudd fra hverandre av den kraftige frastøtende tyngdekraften, potensielt strekke seg til så stor som det observerbare universet i en brøkdel av et sekund.
Og det vil med rette bli kalt en smell. Et stort smell.
Med påfølgende avgrensninger til Guths første implementering av frastøtende tyngdekraft av forskere inkludert Andrei Linde, Paul Steinhardt og Andreas Albrecht, ble inflasjonsteorien om kosmologi født. Et troverdig forslag til hva som antente den ytre hevelsen i rommet, lå endelig på teoretikernes bord. Men stemmer det?
Testing av inflasjon
Ved den første rødmen kan det virke som et nares ærend å søke bekreftelse på en teori som tilsynelatende opererte i et lite brøkdel av et sekund for nesten 14 milliarder år siden. Visst, universet utvides nå, så noe satte det i gang i utgangspunktet. Men er det til og med tenkelig å bekrefte at det ble utløst av en kraftig, men kort blitz av frastøtende tyngdekraft?
Det er. Og tilnærmingen bruker nok en gang mikrobølgebakgrunnen.
For å få en følelse av hvordan, kan du tenke deg å skrive en liten melding, for liten til at noen kan lese, på overflaten av en tømt ballong. Så blåser ballongen opp. Når det strekker seg, strekker meldingen seg også og blir synlig. Tilsvarende, hvis rommet opplevde dramatisk inflasjonsstrekkning, ville ørsmå fysiske avtrykk som ble satt ned under universets tidligste øyeblikk, bli strukket over himmelen, og muligens også gjort dem synlige.
Er det en prosess som ville ha preget et ørlite budskap i det tidlige universet? Kvantefysikk svarer med et rungende ja. Det kommer til usikkerhetsprinsippet, avansert av Werner Heisenberg i 1927. Heisenberg viste at mikroverden er underlagt uunngåelige “kvantejitter” som gjør det umulig å samtidig spesifisere visse funksjoner, for eksempel både posisjonen og hastigheten til en partikkel. For felt som fyller plass, viser usikkerhetsprinsippet at et feltets styrke også er underlagt kvantejitter, noe som får verdien av hvert sted til å vrimle opp og ned.
Tiår med eksperimenter på mikrorealmen har bekreftet at kvantejitterne er reelle og allestedsnærværende; de er ukjente bare fordi svingningene er for små til å kunne observeres direkte i hverdagen. Det er her inflasjonsstrekningen av rommet kommer til sin rett.
På samme måte som med budskapet ditt om den ekspanderende ballongen, hvis universet gjennomgikk den overveldende utvidelsen som er foreslått av inflasjonsteorien, ville de bittesmå kvantejitterne i oppblåsingsfeltet - husk at det er feltet som er ansvarlig for frastøtende tyngdekraft - blitt strukket inn i makroworlden. Dette vil føre til at feltets energi blir en berøring større noen steder, og en berøring mindre i andre.
I sin tur vil disse variasjonene i energi ha innvirkning på den kosmiske mikrobølgebakgrunnstrålingen, ved å skyve temperaturen litt høyere noen steder og litt lavere på andre. Matematiske beregninger avslører at temperaturvariasjonene ville være små - omtrent 1 del av 100.000. Men — og dette er nøkkelen — temperaturvariasjonene ville fylle ut et spesifikt statistisk mønster over himmelen.
Fra begynnelsen av 1990-tallet har en serie stadig mer raffinerte observasjonssatsinger - bakke-, ballong- og rombaserte teleskoper - søkt etter disse temperaturvariasjonene. Og fant dem. Det er faktisk en fantastisk enighet mellom de teoretiske spådommene og de observasjonsdata.
Og med det, kan du tro at inflasjonsmetoden var bekreftet. Men som et samfunn er fysikere omtrent like skeptiske som en gruppe du noen gang vil møte. I løpet av årene foreslo noen alternative forklaringer på dataene, mens andre reiste ulike tekniske utfordringer for selve inflasjonsmetoden. Inflasjonen forble langt unna den ledende kosmologiske teorien, men mange mente røykepistolen ennå ikke var å finne.
Inntil nå.
Ripples in the Fabric of Space
Akkurat som felt i rommet er underlagt kvantejitter, sikrer kvanteusikkerhet at rom i seg selv også skal være underlagt kvantejitter. Noe som betyr at plassen skal bølges som overflaten på en kokende vannkanne. Dette er ukjent av samme grunn som en granittbordplate virker jevn, selv om overflaten er full av mikroskopiske ufullkommenheter - bølgene skjer på ekstremt bittesmå skalaer. Men nok en gang, fordi inflasjonsutvidelse strekker kvantefunksjoner inn i makrorealmen, spår teorien at de bittesmå bølgene spirer ut i langt lengre krusninger i det romlige stoffet. Hvordan vil vi oppdage disse krusningene, eller urbane gravitasjonsbølger, som de blir riktigere kalt? For tredje gang er Big Bangs allestedsnærværende relikvie, den kosmiske mikrobølgebakgrunnen strålingen, billetten.
Beregninger viser at gravitasjonsbølger vil innprente et kronglete mønster på bakgrunnsstrålingen, et ikonisk fingeravtrykk av inflasjonsutvidelse. (Mer presist, bakgrunnsstrålingen oppstår fra svingninger i det elektromagnetiske feltet; retningen til disse svingningene, kjent som polarisasjonen, blir vridd i kjølvannet av gravitasjonsbølger.) Oppdagelsen av slike virvler i bakgrunnsstrålingen har lenge blitt respektert som gullstandarden for å etablere inflasjonsteorien, den lenge etterspurte røykepistolen.
12. mars sendte en pressemelding som lovet en "stor oppdagelse", utstedt av Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, nordamerikansk bakkekontroll for Bicep2-oppdraget, ryktet gjennom det verdensomspennende fysikalsamfunnet. Kanskje hadde virvlene blitt funnet? På pressekonferansen 17. mars ble ryktene bekreftet. Etter mer enn et år med nøye analyse av dataene kunngjorde Bicep2-teamet at det hadde oppnådd den første deteksjonen av det forutsagte gravitasjonsbølgemønsteret.
Subtile virvler i dataene som er samlet inn på Sydpolen, vitner om kvantesvingninger i rommet, strukket av inflasjonsutvidelse, og flyter gjennom det tidlige universet.
Hva betyr det hele?
Saken for inflasjonsteorien har nå vokst seg sterk, med et århundrets omveltning i kosmologien. Nå, ikke bare vet vi at universet utvider seg, ikke bare har vi et troverdig forslag til hva som antente utvidelsen, vi oppdager avtrykket av kvanteprosesser som kilde plass i løpet av den brennende første brøkdelen av et sekund.
Men å være en av de skeptiske fysikerne, om enn en som er spennende også, la meg avslutte med en viss kontekst for å tenke på denne utviklingen.
Bicep2-teamet har gjort en heltemodig jobb, men full tillit til resultatene vil kreve bekreftelse fra uavhengige forskerteam. Vi trenger ikke å vente lenge. Bicep2s konkurrenter har også vært i en jakt etter mikrobølgesnurrene. I løpet av et år, kanskje mindre, kan noen av disse gruppene rapportere om funnene sine.
Det som er sikkert er at nåværende og fremtidige oppdrag vil gi stadig mer raffinerte data som vil skjerpe den inflasjonsmessige tilnærmingen. Husk at inflasjon er et paradigme, ikke en unik teori. Teoretikere har nå implementert kjerneideen om bang-as-frastøtende tyngdekraft på hundrevis av måter (forskjellige antall oppblåsingsfelt, forskjellige interaksjoner mellom disse feltene og så videre), hvor hver generelt gir litt forskjellige spådommer. Bicep2-dataene har allerede vunnet de levedyktige modellene betydelig, og kommende data vil fortsette prosessen.
Alt dette legger opp til en ekstraordinær tid for inflasjonsteorien. Men det er en enda større leksjon. Ved å forhindre den usannsynlige muligheten for at med bedre målinger, forsvinner virvlingen, har vi nå et nytt observasjonsvindu på kvanteprosesser i det tidlige universet. Bicep2-dataene viser at disse prosessene skjer på avstandsskala mer enn en billion ganger mindre enn de som er undersøkt av vår kraftigste partikkelakselerator, Large Hadron Collider. For en del år siden, sammen med en gruppe forskere, tok jeg et av de første forsøkene på å beregne hvordan våre banebrytende teorier om den ultralitt, som strengteori, kunne testes med observasjoner av mikrobølgebakgrunnen. Nå, med dette enestående spranget inn i mikrorealmen, kan jeg tenke meg at mer raffinerte studier av denne typen godt kan føre til den neste fasen i vår forståelse av tyngdekraften, kvantemekanikken og vår kosmiske opprinnelse.
Inflasjon og multiverset
Til slutt, la meg ta opp et problem jeg så langt nøye har unngått, et som er så underlig som det er spekulativt. Et mulig biprodukt av inflasjonsteorien er at universet vårt kanskje ikke er det eneste universet.
I mange inflasjonsmodeller er oppblåsingsfeltet så effektivt at selv etter å ha gitt drivstoffet til den frastøtende skyvingen av Big Bang, står feltet klart til å gi drivstoff til enda en stor smell og enda en. Hver smell gir sitt eget ekspanderende rike, der universet vårt blir relegert til et blant mange. Faktisk, i disse modellene, viser inflasjonsprosessen vanligvis uendelig, den er evig, og gir derfor et ubegrenset antall universer som befolker en storslått kosmisk multivers.
Med bevis for at inflasjonsparadigmet akkumuleres, er det fristende å konkludere med at tilliten til multiversen også bør vokse. Selv om jeg er sympati for det perspektivet, er situasjonen langt fra tydelig. Kvantumsvingninger gir ikke bare variasjoner i et gitt univers - et godt eksempel på bakgrunn av variasjonene i mikrobølgeovnen vi har diskutert - de medfører også variasjoner mellom universene selv. Og disse variasjonene kan være betydelige. I noen inkarnasjoner av teorien kan de andre universene variere selv i typen partikler de inneholder og kreftene som er i arbeid.
I dette enormt utvidede virkelighetsperspektivet er utfordringen å artikulere hva inflasjonsteorien faktisk forutsier. Hvordan forklarer vi det vi ser her, i dette universet? Må vi resonnere at vår livsform ikke kunne eksistere i de forskjellige miljøene i de fleste andre universer, og det er derfor vi befinner oss her - en kontroversiell tilnærming som slår noen forskere som en politimann? Bekymringen er da at med den evige versjonen av inflasjon som gyt så mange universer, hver med forskjellige funksjoner, har teorien kapasitet til å undergrave vår grunn til å ha tillit til selve inflasjonen.
Fysikere sliter fortsatt med disse lakkene. Mange har tillit til at dette bare er tekniske utfordringer for inflasjonen som med tiden vil bli løst. Jeg har en tendens til å være enig. Inflasjonens forklarende pakke er så bemerkelsesverdig, og dens mest naturlige spådommer er så spektakulært tilpasset observasjon, at det hele virker nesten for vakkert til å være galt. Men inntil subtilitetene som multiverset løfter er løst, er det lurt å ta forbehold om endelig dom.
Hvis inflasjonen stemmer, er visjonærene som utviklet teorien og pionerene som bekreftet dens spådommer, fortjent Nobelprisen. Likevel ville historien fortsatt være større. Prestasjoner av denne størrelsesorden overskrider individet. Det ville være et øyeblikk for oss alle å være stolte og undre over at vår kollektive kreativitet og innsikt hadde avslørt noen av universets mest dypt inneholdte hemmeligheter.
