Universet hadde en begynnelse. Men hvor begynte det? Hva ble du i begynnelsen? Vi vet at det hele startet med en ganske rask ekspansjon og endte med et stort antall galakser laget av små partikler. Men hva kom før det? Hva var fysikkens lover når det hele startet? Kjente fysikere James Hartl og Stephen Hawking ga flere svar på disse spørsmålene for flere tiår siden. Et nytt verk av en annen gruppe fysikere analyserte Hawking og Hartles populære tolkning av Big Bang-geometri og løp inn i noen problemer. Disse resultatene kaster lys over problemet med begynnelsen av universet. Et nytt hinder som alle fremtidens teorier må overvinne.
"Vi prøvde å gjøre en mer grundig beregning og fikk en annen løsning," sier Job Feldbrügge, en bosatt student ved Perimeter Institute. "Teorien vi bruker belyser eksisterende teori og viser at den kanskje ikke fungerer som vi forventet."
Forskere prøver vanligvis å forstå begynnelsen på universet ved å se på Einsteins tyngdekraftlover, kalt generell relativitet, og spille dem bakover. Tross alt ønsker de å komme til det punktet hvor universet var veldig lite. Men de mest interessante spørsmålene oppstår om hvordan det unge universet så ut, om det var lite nok til å adlyde kvantemekanikkens lover, som styrer de minste partiklene, atomer og fotoner.
Det er flere måter å starte et univers som vårt. Kanskje, trodde Hawking og Hartle, dette kondenserte universet bare var ett punkt i rommet med en spesiell kvantetilstand, den såkalte bølgefunksjonen, som beskriver det hele på kvantemekanikkens språk. Så kom tiden. Filosofi og religion trenger å snakke mye om dette emnet, men matematikere trenger bare penn og papir. Dette punktlignende universet utviklet seg fra matematikken til generell relativitet med de opprinnelige egenskapene til kvantemekanikken innebygd i strukturen. Dermed burde disse små tilfeldige svingningene i energi i rommet, i løpet av rask ekspansjon - inflasjon - blitt til store tetthetsforskjeller som vi observerer i det moderne universet, med galakser og hulrom. Hawking og Hartles teori var en av flere måter å markere begynnelsen på et univers uten enestående, et punkt på null volum og uendelig masse som ikke ga mye mening. Andre ideer, som de som ble foreslått av Alexander Vilenkin, innebar ikke denne første singulariteten.
En ny artikkel som nylig ble vist på arXiv preprint-serveren introduserer et problem. I beregningene i matematikken til Hawking, Hartles og Vilenkin fikk ikke det nye laget de små kvantesvingningene som trengs for å skape dagens univers. I stedet er disse svingningene gigantiske og skaper et univers som er helt annerledes enn vårt.
"Beregningene vi har gjort fører til sterke gravitasjonsbølger etter Big Bang," sier Feldbrugge - store svingninger i form av selve romtiden. “Det kunne ikke føre til et univers som det er i dag. Beregningene strider mot det vi ser."
Hartl er ikke spesielt bekymret for resultatene fra Feldbrugge-laget. "I kosmologi har vi fortsatt for lite data i forhold til hva det kunne ha vært," sier han. "Så vi gjør vårt beste for å støtte den teorien som passer best til våre observasjoner." Han ser på det nye arbeidet som et annet forsøk på å snu spillet ved å tilby mer informasjon og en annen matematisk vei som forskere kan følge. "Forskere har rett til å velge om de vil forfølge denne ideen eller en annen."
Teamet hans publiserte også nylig et nytt papir som reviderte sin egen matematikk og demonstrerte hvorfor teorien hans fremdeles fungerer.
Kampanjevideo:
Likevel ser matematikken til Feldbrugge og hans team ut til å vise at et jevnt utseende av et univers uten noen egenart er "ikke et alternativ." Matematikken deres bestrider direkte Hartle og Hawking.
Det er verken nytt eller nesten løst å knytte kvantemekanikk og generell relativitet for å forklare begynnelsen av universet. Dette er faktisk et av hovedproblemene som teoretiske fysikere prøver å løse, gitt dens betydning for å forstå universets opprinnelse, når begge settene med lover blir brukt i samme skala, og viktigheten for sorte hull der tyngdekraften er så sterk at lys kan ikke forlate henne.
Men viktigst av alt, tror Feldbrugge ikke at et univers som begynner med kvantemekanikkens og relativitetens lover kan skape små svingninger som vil føre til et univers som vårt - han mener det må være noe annet. - Det er uklart hvilken løsning som vil være det endelige alternativet, sier han.
Meninger fra fysikere om dette problemet er veldig forskjellige. Paul Steinhardt, professor i fysikk ved Princeton University, sier det allerede er alternative måter å unngå problemer i en ny jobb, så vel som andre klager på Hawking-Hartle-modellen. Denne såkalte uendelige modellen krever noen matematiske løsninger for å skape et univers som vårt.
“Hva er alternativet? En sprett uten enestående, sier han og refererer til en modell han utvikler med Princeton-basert teoretisk kosmolog Anna Idjas. I følge denne modellen kollapser universet og utfolder seg deretter i vårt eget univers, lenge før man kan begynne å tenke på effekten av kvantemekanikken.
Sabine Hossenfelder, stipendiat ved Frankfurt Institute for Advanced Study, er usikker på de nye resultatene. “Det eneste jeg kan konkludere med er at vi ikke visste hvordan universet begynte før dette arbeidet ble skrevet. Og vi visste det ikke etter at dette arbeidet ble publisert”. Teoretikere tar matematikk på alvor og har gjort disse beregningene med tid og rom lenge før teleskoper ville bekrefte dem. Den eneste måten å vite sikkert hva som skjer er gjennom eksperimentering.
I dag kan de fleste av disse teoriene bekreftes eller motbevises ved observasjoner av det eldste lyset som har kommet ned til oss, den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Forskere håper innsikten fra teoriene deres vil bidra til å isolere viktige signaturer fra disse dataene.
Er det mulig å sjekke arbeidet til Feldbrugge og hans team? De er akkurat i gang. Åpenbart vil det ta lang tid å sjekke. Forskere må til slutt skape et univers som ligner vårt. Men detaljene i denne prosessen er ennå ikke bestemt.
ILYA KHEL
