Sterrekunde

Swaartekrag tydens die oerknal?

Swaartekrag tydens die oerknal?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ek het na 'n dokumentêr oor die oerknal gekyk. Een van die sterrekundiges het gesê dat die vier fundamentele kragte aanvanklik as een gekombineer is, en dat dit dan blyk te word: Die sterk en swak kernkragte, die elektromagnetiese krag en die swaartekrag. Hy beweer dat die eerste krag wat ontstaan ​​het die gravitasiekrag was, en het verder gesê as die gravitasiekrag swakker was as wat dit is, sou alles uitmekaar vlieg sodat geen sterrestelsels sou vorm nie en as die swaartekrag te groot sou wees as wat ons swart gate oral, so die swaartekrag moes net reg wees, soos dit nou is. Ek kon niks vind wat hierdie inligting aanlyn ondersteun nie, of die redenasie agter hierdie inligting nie; enige hulp sal waardeer word.


Die waarheid is dat ons nie 'n werkende of algemeen aanvaarde 'teorie van alles' het wat gravitasie verenig met die ander fundamentele en kwantum-veldteorieë nie. Wat ons wel het, is sterk bewyse dat die ander veldteorieë - elektromagnetiese, sterk kern- en swak kernkrag - met hoë energieë verenig is (die bewyse is inderdaad so sterk dat ek twyfel of dit hoegenaamd wyd betwis word).

Ons het wel 'n teorie van gravitasie - algemene relatiwiteit - wat blyk te werk in 'meeste' omstandighede, alhoewel dit ook 'n enkelheid het (swart gate) en daar is 'n fundamentele verskil tussen die kwantumteorieë oor vakuumenergie (die -geroepe vakuumkatastrofe).

Wat ons ook weet, is dat gravitasie baie swakker lyk as die ander kragte, alhoewel dit oor baie groot afstande kan inwerk, en dit is dus fundamenteel in die vorm van die aard van ons heelal.

Daar is verskillende argumente oor hoe / waarom ons heelal die lewe kan ondersteun / is soos dit is. Miskien is dit net een van die vele / 'n oneindige aantal heelalle wat 'n verskeidenheid fisiese eienskappe het, en ons is toevallig in een wat lewenslank "werk" - daar sou natuurlik geen lewe in 'n heelal kon wees wat fisiese eienskappe gehad het wat nie ondersteun nie die lewe nie.

Op 'n ander uiterste punt is ons miskien almal in 'n rekenaarsimulasie.

Ek sou voorstel om werke van Max Tegmark of Brian Greene te jag vir meer inligting.


Wat is die uiteindelike lot van die heelal?

Net soos Robert Frost twee moontlike lotgevalle vir die aarde in sy gedig voorgestel het, voorsien kosmoloë twee moontlike lotgevalle vir die heelal:

Die evolusie van die heelal word bepaal deur 'n stryd tussen die momentum van uitbreiding en die trek (of druk!) Van swaartekrag. Die huidige uitbreidingstempo word deur die Hubble Constant gemeet, terwyl die swaartekrag afhang van die digtheid en druk van die materie in die heelal. As die druk van die materie laag is, soos die geval is met die meeste vorme van materie waarvan ons weet, word die lot van die heelal beheers deur die digtheid.

As die digtheid van die heelal minder is as die kritieke digtheid, sal die heelal vir ewig uitbrei, soos die groen of blou kurwes in die grafiek hierbo. Swaartekrag kan die uitbreidingstempo oor tyd vertraag, maar vir digthede onder die kritieke digtheid is daar nie genoeg swaartekrag van die materiaal om die uitwaartse uitbreiding ooit te stop of om te keer nie. Dit staan ​​ook bekend as die 'Big Chill' of 'Big Freeze' omdat die heelal stadig sal afkoel namate dit uitbrei totdat dit uiteindelik geen lewe kan onderhou nie.

As die digtheid van die heelal groter is as die kritieke digtheid, sal swaartekrag uiteindelik wen en sal die heelal op homself terugval, die sogenaamde 'Big Crunch', soos die oranje kurwe van die grafiek. In hierdie heelal is daar voldoende massa in die heelal om die uitbreiding tot stilstand te laat kom en dit uiteindelik om te keer.

Onlangse waarnemings van verre supernova het voorgestel dat die uitbreiding van die heelal eintlik versnel of versnel, soos die rooi kurwe van die grafiek, wat die bestaan ​​van 'n vorm van materie met 'n sterk negatiewe druk, soos die kosmologiese konstante, impliseer. Hierdie vreemde vorm van materie word ook soms die & # 147donker energie & # 148 genoem. Anders as swaartekrag wat die uitbreiding vertraag, werk donker energie om die uitbreiding te bespoedig. As donker energie in werklikheid 'n belangrike rol speel in die evolusie van die heelal, sal die heelal na alle waarskynlikheid vir ewig bly uitbrei.

Daar is 'n groeiende konsensus onder kosmoloë dat die totale digtheid van die materie gelyk is aan die kritieke digtheid, sodat die heelal ruimtelik plat is. Ongeveer 24% hiervan is in die vorm van 'n lae drukstof, waarvan die meeste beskou word as & # 147non-baroniese & # 148 donker materie, terwyl die oorblywende 71% vermoedelik in die vorm van 'n negatiewe druk is & # 147 donker energie & # 148, soos die kosmologiese konstante. As dit waar is, is donker energie die belangrikste dryfveer agter die lot van die heelal en sal dit vir ewig eksponensieel uitbrei.


Grondslae van die oerknal-kosmologie

Die oerknal-model van die kosmologie berus op twee sleutelidees wat dateer uit die vroeë 20ste eeu: Algemene Relatiwiteit en die Kosmologiese Beginsel. Deur aan te neem dat die materie in die heelal eenvormig op die grootste skale versprei word, kan 'n mens algemene relatiwiteit gebruik om die ooreenstemmende gravitasie-effekte van die saak te bereken. Aangesien swaartekrag 'n eienskap is van ruimtetyd in die Algemene Relatiwiteit, is dit gelykstaande aan die berekening van die dinamika van ruimtetyd self. Die verhaal ontvou soos volg:

Gegewe die aanname dat die materie in die heelal homogeen en isotroop is (The Cosmological Principle), kan aangetoon word dat die ooreenstemmende vervorming van ruimtetyd (as gevolg van die swaartekrag-effekte van hierdie saak) slegs een van drie vorme kan hê, soos getoon skematies op die foto links. Dit kan & quotpositively & quot gebuig word soos die oppervlak van 'n bal en eindig in mate dit kan & quotnegatief & quot geboë wees soos 'n saal en oneindig in grootte of dit kan & quotflat & quot en oneindig in omvang wees - ons & quotordinary & quot opvatting van die ruimte. 'N Belangrike beperking van die prentjie wat hier getoon word, is dat ons slegs die kromming van 'n tweedimensionele vlak van 'n werklike driedimensionele ruimte kan voorstel! Let daarop dat u in 'n geslote heelal 'n reis in een rigting kon begin en, indien genoeg tyd toegestaan ​​is, uiteindelik sou terugkeer na u beginpunt in 'n oneindige heelal, sou u nooit weer terugkeer nie.

Voordat ons bespreek watter een van hierdie drie prente ons heelal beskryf (indien enige), moet ons 'n paar vrystellings maak:

    Omdat die heelal 'n eindige ouderdom het (

13,77 miljard jaar) kan ons net 'n beperkte afstand na die ruimte sien:

Materie speel 'n sentrale rol in die kosmologie. Dit blyk dat die gemiddelde digtheid van die materie die geometrie van die heelal op 'n unieke manier bepaal (tot die bogenoemde beperkings). As die digtheid van materie minder is as die sogenaamde kritieke digtheid, is die heelal oop en oneindig. As die digtheid groter is as die kritieke digtheid, is die heelal geslote en eindig. As die digtheid net gelyk is aan die kritieke digtheid, is die heelal plat, maar steeds vermoedelik oneindig. Die waarde van die kritieke digtheid is baie klein: dit stem ooreen met ongeveer 6 waterstofatome per kubieke meter, 'n verstommende goeie vakuum volgens aardse standaarde! Een van die belangrikste wetenskaplike vrae in die kosmologie van vandag is: wat is die gemiddelde digtheid van materie in ons heelal? Alhoewel die antwoord nog nie vir seker bekend is nie, lyk dit asof dit tergend naby die kritieke digtheid is.

Gegewe 'n wet van swaartekrag en 'n aanname oor hoe die materie versprei word, is die volgende stap om die dinamika van die heelal uit te werk - hoe die ruimte en die materie daarin mettertyd ontwikkel. Die besonderhede hang af van verdere inligting oor die materie in die heelal, naamlik die digtheid (massa per eenheidseenheid) en die druk (krag wat dit uitoefen per eenheidseenheid), maar die algemene prentjie wat blyk, is dat die heelal vanaf 'n baie klein begin volume, 'n gebeurtenis wat later die oerknal genoem is, met 'n aanvanklike uitbreidingsyfer. Vir die grootste deel dit koers van uitbreiding is sedertdien stadiger as gevolg van die swaartekrag van die saak op sigself. 'N Belangrike vraag vir die lot van die heelal is of die swaartekrag sterk genoeg is om die uitbreiding uiteindelik om te keer en die heelal weer op homself te laat ineenstort. In feite het onlangse waarnemings die moontlikheid laat ontstaan ​​dat die uitbreiding van die heelal inderdaad kan versnel (versnel), wat die moontlikheid laat ontstaan ​​dat die evolusie van die heelal nou oorheers word deur 'n bisarre vorm van materie wat 'n negatiewe druk het.

Die foto hierbo toon 'n aantal moontlike scenario's vir die relatiewe grootte van die heelal teenoor tyd: die onderste (groen) kurwe stel 'n plat, kritieke digtheid-heelal voor waarin die uitbreidingstempo voortdurend vertraag (die kurwes word al hoe horisontaler) . Die middelste (blou) kurwe toon 'n oop, lae digtheid heelal waarvan die uitbreiding ook vertraag, maar nie soveel as die kritieke digtheid heelal nie, want die aantrekkingskrag van swaartekrag is nie so sterk nie. Die boonste (rooi) kurwe toon 'n heelal waarin 'n groot fraksie van sy massa / energie in die ruimte van die ruimte kan wees, 'n leidende kandidaat vir die sogenaamde 'donker energie' wat die uitbreiding van die heelal tot versnel (versnel). Daar word dikwels na hierdie energie verwys as 'n & quotcosmological constant & quot, alhoewel dit nou verwys na energie wat die heelal uitmekaar stoot, waar Einstein die term uitgevind het om sy vergelykings vir 'n vaste-grootte heelal te balanseer. Daar is toenemend bewyse dat ons heelal die rooi kurwe volg.

Hou die volgende belangrike punte in gedagte om wanopvattings oor die oerknal en uitbreiding te voorkom:

  • Die oerknal het nie op 'n enkele punt in die ruimte plaasgevind as 'n & quotexplosion nie. & Quot; Dit word beter beskou as die gelyktydige voorkoms van ruimte oral in die heelal. Die gebied van die ruimte binne ons huidige horison was inderdaad nie groter as 'n punt in die verlede nie. Desondanks, as al die ruimte binne en buite ons horison nou oneindig is, is dit oneindig gebore. As dit geslote en eindige is, is dit gebore met nul volume en het daaruit gegroei. In geen van beide gevalle is daar 'n & quot sentrum van uitbreiding & quot - 'n punt waarvandaan die heelal vanaf 'n oorsprongspunt uitbrei nie. In die balanalogie groei die straal van die bal namate die heelal uitbrei, maar al die punte op die oppervlak van die bal (die heelal) sak op dieselfde manier van mekaar af. Die binnekant van die bal moet in hierdie analogie nie as deel van die heelal beskou word nie.
  • Per definisie omvat die heelal al die ruimte en tyd soos ons dit ken, dus dit is buite die koninkryk van die oerknal-model om te postuleer waarin die heelal uitbrei. In die oop of geslote heelal vind die enigste & quotedge & quot tot ruimte-tyd plaas by die oerknal (en miskien sy eweknie die Big Crunch), dus is dit nie logies nodig (of sinvol) om hierdie vraag te oorweeg nie.
  • Dit gaan buite die koninkryk van die oerknal-model om te sê wat tot die oerknal aanleiding gegee het. Daar is 'n aantal spekulatiewe teorieë oor hierdie onderwerp, maar nog geen van hulle maak voorspel realisties toetsbare voorspellings nie.

Tot dusver is die enigste aanname oor die heelal dat die materie homogeen en isotrop op groot skale versprei word. Daar is 'n aantal gratis parameters in hierdie familie van oerknal-modelle wat vasgestel moet word deur waarnemings van ons heelal. Die belangrikste is: die meetkunde van die heelal (oop, plat of geslote) die huidige uitbreidingstempo (die Hubble-konstante) en die algehele verloop van uitbreiding, verlede en toekoms, wat bepaal word deur die breukdigtheid van die verskillende soorte materie in die heelal. Let op dat die huidige ouderdom van die heelal voortvloei uit die uitbreidingsgeskiedenis en die huidige uitbreidingstempo.

Soos hierbo opgemerk, word die meetkunde en evolusie van die heelal bepaal deur die breukbydrae van verskillende soorte materie. Aangesien sowel energiedigtheid as druk bydra tot die sterkte van swaartekrag in Algemene Relatiwiteit, klassifiseer kosmoloë soorte materie volgens die kwotasie van die toestand en die verband tussen druk en energiedigtheid. Die basiese klassifikasieskema is:

  • Straling: bestaan ​​uit massa- of bykans masselose deeltjies wat teen die snelheid van die lig beweeg. Bekende voorbeelde sluit fotone (lig) en neutrino's in. Hierdie vorm van materie word gekenmerk deur 'n groot positiewe druk.
  • Baryoniese materie: In hierdie kosmologiese konteks is dit 'n gewone materie & quot wat hoofsaaklik bestaan ​​uit protone, neutrone en elektrone. Hierdie vorm van materie het in wese geen druk van kosmologiese belang nie.
  • Donker materie: dit verwys gewoonlik na & quotexotiese & quot nie-baroniese materie wat net swak met gewone materie in wisselwerking tree. Alhoewel daar nooit so 'n saak direk in die laboratorium waargeneem is nie, word dit lankal vermoed om redes wat in 'n volgende bladsy bespreek word. Hierdie vorm van materie het ook geen kosmologiese beduidende druk nie.
  • Donker energie: dit is 'n werklik bisarre vorm van materie, of miskien 'n eienskap van die vakuum self, wat gekenmerk word deur 'n groot, negatiewe druk (afstotende krag). Dit is die enigste vorm van materie wat kan veroorsaak dat die uitbreiding van die heelal versnel, of versnel.

Een van die sentrale uitdagings in die kosmologie van vandag is om die relatiewe en totale digthede (energie per volume-eenheid) in elk van hierdie vorms te bepaal, aangesien dit noodsaaklik is om die evolusie en uiteindelike lot van ons heelal te begryp.


Om die 'knal' in die oerknal te plaas

Beelde wat op die MIT News-kantoorwebwerf afgelaai kan word, word beskikbaar gestel aan nie-kommersiële entiteite, perse en die breë publiek onder 'n Creative Commons-toekenning, nie-kommersieel, geen afgeleide lisensie nie. U mag die verstrekte beelde nie verander nie, behalwe om dit in grootte te sny. 'N Kredietgrens moet gebruik word om beelde te reproduseer as een nie hieronder aangebied word nie, gee die beelde' MIT '.

Vorige prentjie Volgende prentjie

Soos die Big Bang-teorie gaan, het die heelal êrens ongeveer 13,8 miljard jaar gelede ontplof, as 'n oneindige klein, kompakte vuurbal van materie wat afgekoel het terwyl dit uitgebrei het, wat reaksies veroorsaak het wat die eerste sterre en sterrestelsels en al die vorme van saak wat ons vandag sien (en is).

Kort voor die oerknal die heelal op sy steeds groter wordende gang geloods het, glo fisici, was daar 'n ander, meer plofbare fase van die vroeë heelal aan die orde: kosmiese inflasie, wat minder as 'n triljoenste sekonde geduur het. Gedurende hierdie periode het materie - 'n koue, homogene goop - vinnig eksponensieel opgeblaas voordat prosesse van die Oerknal oorgeneem het om die baba-heelal stadiger uit te brei en te diversifiseer.

Onlangse waarnemings ondersteun teorieë vir die oerknal en die kosmiese inflasie onafhanklik. Maar die twee prosesse verskil so radikaal van mekaar dat wetenskaplikes gesukkel het om te dink hoe die een die ander gevolg het.

Nou het fisici aan die MIT, Kenyon College en elders 'n tussentydse fase van die vroeë heelal wat die kosmiese inflasie met die oerknal oorbrug, in detail nageboots. Hierdie fase, bekend as 'herverhitting', het aan die einde van die kosmiese inflasie plaasgevind en het prosesse behels wat inflasie se koue, eenvormige saak in die ultrahot, komplekse sop wat aan die begin van die oerknal was, geworstel het.

"Die post-inflasie-opwarmingsperiode stel die voorwaardes vir die oerknal op en plaas die 'knal' in die oerknal in 'n sekere sin," sê David Kaiser, die professor in die geskiedenis van die wetenskap in Germeshausen en professor in fisika aan die MIT. "Dit is hierdie brugperiode waar alle hel losbreek en materie op 'n eenvoudige manier optree."

Kaiser en sy kollegas het breedvoerig gesimuleer hoe verskillende vorms van materie tydens hierdie chaotiese tydperk aan die einde van inflasie sou wissel. Hul simulasies toon dat die ekstreme energie wat inflasie aangedryf het, net so vinnig binne 'n kleiner fraksie van 'n sekonde herverdeel kon word, en op 'n manier wat toestande opgelewer het wat nodig sou wees vir die begin van die oerknal.

Die span het bevind dat hierdie uiterste transformasie selfs vinniger en doeltreffender sou gewees het as kwantumeffekte die manier waarop materie op baie swaar energie reageer op swaartekrag verander, en afwyk van die manier waarop Einstein se algemene relatiwiteitsteorie voorspel dat materie en swaartekrag moet wissel.

"Dit stel ons in staat om 'n ononderbroke verhaal te vertel, van inflasie tot die postinflasieperiode, tot die oerknal en daarna," sê Kaiser. "Ons kan 'n deurlopende stel prosesse opspoor, almal met bekende fisika, om te sê dat dit een aanneemlike manier is waarop die heelal lyk soos ons dit vandag sien."

Die span se uitslae verskyn vandag in Fisiese oorsigbriewe. Kaiser se medeskrywers is hoofskrywer Rachel Nguyen, en John T. Giblin, albei van die Kenyon College, en die voormalige MIT-student Evangelos Sfakianakis en Jorinde van de Vis, albei van die Universiteit van Leiden in Nederland.

"Gesinkroniseer met homself"

Die teorie van kosmiese inflasie, wat die eerste keer in die 1980's voorgestel is deur MIT se Alan Guth, die V.F. Weisskopf professor in fisika, voorspel dat die heelal begin het as 'n uiters klein stukkie materie, moontlik ongeveer 'n honderd miljardste van die grootte van 'n proton. Hierdie kolletjie was gevul met ultra-hoë-energie materiaal, so energiek dat die druk binne 'n afstootlike swaartekrag genereer - die dryfveer agter inflasie. Soos 'n vonkel teen 'n lont, het hierdie swaartekrag die baba-heelal in 'n vinniger tempo na buite ontplof, en dit opgebou tot byna 'n klein hoeveelheid keer sy oorspronklike grootte (dit is die getal 1 gevolg deur 26 nulle), in minder as 'n triljoenste van n sekonde.

Kaiser en sy kollegas het probeer om uit te vind hoe die vroegste fases van herverhitting - daardie bruginterval aan die einde van die kosmiese inflasie en net voor die oerknal - kon lyk.

'Die vroegste fases van herverhitting moet deur resonansies gekenmerk word. Een vorm van hoë-energie-materie oorheers, en dit skud heen en weer in sinchronisasie met homself oor groot ruimtes, wat lei tot plofbare produksie van nuwe deeltjies, 'sê Kaiser. 'Daardie gedrag sal nie vir ewig duur nie, en sodra dit begin energie oordra na 'n tweede vorm van materie, sal sy eie swaaie meer onstuimig en ongelyk deur die ruimte raak. Ons wou meet hoe lank dit sou duur voordat die resonante effek opbreek, en dat die geproduseerde deeltjies mekaar verstrooi en tot 'n soort termiese ewewig sou kom, wat herinner aan die oerknal-toestande. '

Die span se rekenaarsimulasies verteenwoordig 'n groot rooster waarop hulle verskeie vorms van materie gekarteer het en het nagespoor hoe hul energie en verspreiding in die ruimte en met verloop van tyd verander, aangesien die wetenskaplikes sekere toestande gewissel het. Die aanvangstoestande van die simulasie was gebaseer op 'n bepaalde inflasionêre model - 'n stel voorspellings vir hoe die vroeë heelal se verspreiding van materie tydens die kosmiese inflasie kon optree.

Die wetenskaplikes het hierdie spesifieke inflasie-model bo ander gekies omdat die voorspellings noukeurig ooreenstem met hoë presisie-metings van die kosmiese mikrogolfagtergrond - 'n oorblywende gloed van bestraling wat slegs 380 000 jaar na die oerknal uitgestraal word, wat vermoedelik spore van die inflasieperiode bevat.

'N Universele aanpassing

Die simulasie het die gedrag van twee soorte materie wat tydens inflasie oorheersend was, gevolg, baie soortgelyk aan 'n soort deeltjie, die Higgs-boson, wat onlangs in ander eksperimente waargeneem is.

Voordat hulle hul simulasies uitgevoer het, het die span 'n effense "aanpassing" by die beskrywing van die swaartekrag van die model gevoeg. Terwyl gewone materie wat ons vandag sien reageer op swaartekrag, net soos Einstein in sy teorie van algemene relatiwiteit voorspel het, moet materie teen baie hoër energieë, soos wat vermoedelik tydens die kosmiese inflasie bestaan ​​het, effens anders optree en met swaartekrag in wisselwerking tree aangepas deur kwantummeganika, of interaksies op die atoomskaal.

In Einstein se algemene relatiwiteitsteorie word die sterkte van swaartekrag as 'n konstante voorgestel, waarna fisici verwys as 'n minimale koppeling, wat beteken dat, ongeag die energie van 'n bepaalde deeltjie, dit op swaartekrageffekte sal reageer met 'n sterkte wat deur 'n universele konstante.

Met die baie hoë energieë wat in kosmiese inflasie voorspel word, werk materie egter op 'n effens ingewikkelder manier met swaartekrag in. Kwantummeganiese effekte voorspel dat die sterkte van swaartekrag in ruimte en tyd kan wissel wanneer dit met ultra-hoë-energie-materie omgaan - 'n verskynsel wat bekend staan ​​as nie-minimale koppeling.

Kaiser en sy kollegas het 'n nie-minimale koppelingsterm by hul inflasionêre model ingesluit en waargeneem hoe die verspreiding van materie en energie verander toe hulle hierdie kwantumeffek op of af draai.

Uiteindelik het hulle gevind dat hoe sterker die kwantum-gemodifiseerde gravitasie-effek die materie beïnvloed, hoe vinniger die heelal oorgegaan het van die koue, homogene materie in inflasie na die baie warmer, uiteenlopende vorms van materie wat kenmerkend is van die Oerknal.

Deur hierdie kwantumeffek af te stel, kan hulle hierdie belangrike oorgang meer as 2 tot 3 "e-voue" laat plaasvind, met verwysing na die hoeveelheid tyd wat die heelal neem om (ongeveer) in grootte te verdriedubbel. In hierdie geval slaag hulle daarin om die herverhittingsfase te simuleer binne die tyd wat die heelal twee tot drie keer in grootte verdriedubbel. In vergelyking hiermee het inflasie meer as 60 e-voude plaasgevind.

"Herverhitting was 'n kranksinnige tyd toe alles verval het," sê Kaiser. 'Ons wys dat die saak op daardie tydstip so sterk interaksie gehad het dat dit ook vinnig kon ontspan en die toneel vir die oerknal pragtig kon maak. Ons het nie geweet dat dit die geval sou wees nie, maar dit is wat blyk uit hierdie simulasies, alles met bekende fisika. Dit is wat vir ons opwindend is. '

Guth, die oorspronklike argitek vir die teorie van kosmiese inflasie, sien die groep se resultate as 'n belangrike nuwe ontwikkeling in die studie van inflasionêre modelle.

'Terwyl weergawes van inflasie gebaseer op 'n enkele vorm van materie 'n opmerklik goeie pasvorm vir waarnemings gee, bestudeer Dave en sy medewerkers al 'n aantal jare goed gemotiveerde modelle wat veelvuldige vorms van materie behels ... en gee dit ook 'n uitstekende pasvorm vir die data, ”sê Guth. “Tot nou toe is die werk egter beperk tot die bestudering van die vroeë stadiums van die beëindiging van inflasie, waar die wiskunde relatief eenvoudig is. Die nuwe werk is gebaseer op 'n sterk numeriese rooster simulasie wat baie verder kan ondersoek na die ingewikkelde interaksies aan die einde van inflasie. Die werk toon meer definitief as ooit tevore dat 'n groot klas modelle wat veelvuldige vorms van materie betref, goed ooreenstem met waarnemings. ”

"Daar is honderde voorstelle vir die produksie van die inflasionêre fase, maar die oorgang tussen die inflasie-fase en die sogenaamde" hot big bang "is die deel van die verhaal wat die minste verstaan ​​word," sê Richard Easther, professor in fisika aan die Universiteit van Auckland, wat nie by die navorsing betrokke was nie. 'Hierdie vraestel breek nuwe grond deur die postinflasie-fase akkuraat te simuleer in modelle met baie individuele velde en komplekse kinetiese terme. Dit is uiters uitdagende numeriese simulasies en brei die nuutste stand van sake uit vir studies oor nie-lineêre dinamika in die vroeë heelal. ”


'N Nuwe kosmiese ontdekking kan die naaste wees wat ons aan die begin van die tyd gekom het

Ongeveer 13,8 miljard jaar gelede, net voor die oerknal, was die enorme, sterrestelsel-gevulde heelal wat ons vandag ken, in 'n klein, digte, uiters warm punt vervat. Skielik het dit vinnig vinniger begin uitbrei as die spoed van die lig in 'n katastrofiese ontploffing. Die heelal het in 'n onbegryplike kort fraksie van 'n sekonde van 'n subatomiese grootte tot 'n gholfbal gegroei.

Verwante inhoud

Hierdie vroegste oomblik van uitbreiding, bekend as kosmiese inflasie, verklaar waarom die heelal relatief eenvormig is (sterrestelsels wat gevorm het soos die heelal afgekoel het, lyk of dit eweredig versprei is sover die teleskoop kan sien) en verklaar ook die saadjies van digtheid dit het aanleiding gegee tot die struktuur van die heelal.

Dit is 'n lekker verhaal, maar dekades nadat fisici dit voorgestel het, is ons bewyse daarvoor beperk. Ons vernaamste manier om die oerknal te bestudeer, en die flou straling wat oorgebly het van die ontploffing, noem ons die kosmiese mikrogolf-agtergrond en die datums tot ongeveer 380 000 jaar, in plaas van die oomblik self.

'N Beduidende nuwe bewysstuk het vanoggend na vore gekom toe 'n groep wetenskaplikes gelei deur sterrekundige & # 160 John Kovac & # 160 van die & # 160 Harvard-Smithsonian Sentrum vir Astrofisika & # 160 aangekondig & # 160 dat hulle indirekte bewyse gevind het van & # 160; swaartekraggolwe & & # 8212; die heelal se swaartekragveld & # 8212 wat tydens inflasie losgelaat is, 'n klein fraksie van 'n sekonde na die oerknal. As die bevinding korrek is, dien die golwe as 'n bevestiging van inflasie.

"Inflasie is die 'knal' van die oerknal," sê die teoretiese fisikus Alan Guth, wat die teorie van kosmiese inflasie in 1979 voorgestel het. 'Dit is die meganisme wat die heelal veroorsaak het om hierdie periode van reuse-uitbreiding te betree.'

Verskeie natuurkundiges wat nie by die navorsing betrokke was nie, het die kans gehad om die onbewerkte data te beoordeel en stem saam met die ontleding. "Dit is baie waarskynlik dat dit waar is," sê & # 160Avi Loeb, 'n teoretiese fisikus aan die Harvard-Smithsonian-sentrum, en let op dat die navorsers drie jaar lank die data bestudeer het om die kans op 'n fout uit te skakel.

Robert W. Wilson, wat die Nobelprys vir fisika in 1978 gedeel het vir sy ontdekking van die kosmiese mikrogolfagtergrond, stem saam en glo dat die werk byna seker is om 'n Nobelprys te verwerf as dit bevestig word. Loeb sê die bevinding sou een van die belangrikste fisika-ontdekkings van die afgelope 15 jaar wees en groter as die ontdekking van die Higgs Boson. & # 160

Tydens inflasie, heel links, het die heelal binne 'n breukdeel van 'n sekonde met baie ordes in grootte uitgebrei. (Beeld via NASA)

Die aanwesigheid van waarneembare gravitasiegolwe word dikwels 'rimpels in die weefsel van die ruimtetyd' genoem en word voorspel deur die teorie van inflasie. Guth sê dat die swaartekrag op 'n mikroskopiese skaal reeds sou uitgestrek word deur inflasie en makroskopiese golwe te lewer.

Die presiese aard van die golwe hang af van die presiese oomblik waarop inflasie plaasgevind het. "Hierdie opsporing is nie net 'n aanduiding dat inflasie plaasgevind het nie," sê Loeb, maar ook vir ons wanneer dit plaasgevind het ": & # 160 & # 160 & # 160 10 -34 & # 160 ('n desimale punt het gevolg met 33 nulle en dan 'n sekonde na die begin van die oerknal.

Die navorsingsgroep, wat ook & # 160Clement Pryke & # 160 van die Universiteit van Minnesota, & # 160Jamie Bock & # 160of Caltech en & # 160Chao-Lin Kuo & # 160van & # 160Stanford ingesluit het, het nie self swaartekraggolwe gevind nie, maar eerder indirekte bewyse daarvan. in die vorm van 'n spesiale polarisasiepatroon wat veroorsaak word deur die golwe in die kosmiese mikrogolfagtergrond. & # 8220Ons span het gejag na 'n spesiale soort polarisasie genaamd B-modusse, wat 'n draai- of krulpatroon in die gepolariseerde oriëntasies van die antieke lig verteenwoordig, & # 8221 Bock het gesê & # 160 in 'n persverklaring.

Die navorsers het hierdie data versamel met behulp van die BICEP2-teleskoop, & # 160 in Antarktika, waar koue, droë lug die interferensie van die Aarde se atmosfeer op die flou kosmiese mikrogolf-agtergrondsein beperk. BICEP2 is een van 'n reeks identiese teleskope wat op soek is na hierdie handtekening, genaamd die Keck Array. Daar is ook die aangrensende Suidpoolteleskoop, wat data gerapporteer het wat dui op die teenwoordigheid van B-modus polarisasie in die CMB verlede somer. Die instrument was egter nie ontwerp om polarisasie op te spoor op die skaal wat deur swaartekraggolwe geproduseer word nie, en dit is dus waarskynlik nie die gevolg van die inmenging van sterrestelsels in die verte nie dat die CMB deurgeloop het voordat hy die aarde bereik het.

Die BICEP-2-teleskoop (die wit skottel regs), saam met die Suidpool-teleskoop (links). (Beeld via BICEP-2-projek)

Dit is nog nie heeltemal duidelik dat die BICEP2-span B-modus-polarisasie bespeur het wat in werklikheid 'n definitiewe bewys is van gravitasiegolwe nie. Verdere bevestiging moet kom van data wat versamel is deur die & # 160Planck Satellite & # 160 van die Europese Ruimteagentskap (wat die kosmiese mikrogolfagtergrond onder 'n baie groter hoek waarneem), wat aan die einde van die somer vrygestel sal word.

As dit egter waar is, sal die vonds baie help om die teorie van inflasie te bekragtig. "Die teenwoordigheid van hierdie polarisasie, geïnduseer deur die swaartekraggolwe, is die laaste groot ding wat deur inflasie voorspel word," sê Wilson. "Dit gee u steeds meer vertroue dat dit regtig die regte scenario is."

Dit sou ook iets verbasend weerspieël: die oudste bewys wat ons het van absoluut enigiets. & # 160

"U kan nie kosmiese mikrogolf-agtergrond gebruik om uit te vind wat in die vroeë, vroeë heelal gebeur het nie," sê Loeb. Die eerste 380 000 jaar kon die elektromagnetiese golwe waaruit die CMB bestaan, nie vryelik deur die ruimte beweeg nie. "As ons na swaartekraggolwe kan kyk, kan ons tot by die begin begin. & # 8221

Oor Joseph Stromberg

Joseph Stromberg was voorheen 'n digitale verslaggewer vir Smithsonian.


Voorkoms

Terwyl hy met die bende praat, kondig Howard trots aan dat sy ruimtetoilet op die Space Station International Space Station ontplooi word. Nadat hy die skema's deurgegaan het, besef hy dat hy 'n 'klein-klein' fout gemaak het met die spesifikasies vir die afleidingsklep, wat sal veroorsaak dat die toilet na ongeveer tien spoelstowwe misluk. Omdat hy weet dat sy loopbaan op die spel is, kry hy Sheldon en Raj om hom te help om 'n manier te vind om die struktuur te versterk, sodat die afvalmateriaal die draaiende turbine vermy (om afval weg te hou van die waaier).

Raj stel voor om 'n PVC van twee duim te gebruik om die middelste dwarssteun te versterk. Sodra Howard sê dat dit nie goed is nie, beveel Raj aan, in plaas daarvan om die struktuur te probeer versterk, loop hulle net 'n ander lyn en omseil dit heeltemal. Sheldon wys daarop dat dit nie sal werk nie, aangesien die buis se deursnee onvoldoende is. Dan vra Raj of hulle die opvangtenk kan herposisioneer, maar Howard onthul dat daar geen manier is om dit op te sit nie. Howard wil egter ook 'n klein stuk PVC agter die draagstang inwik, maar Sheldon laat Wolowitz weet dat hy die treksterkte van die onderbou wat hy bou, oorskat. Raj wys 'n ander item in plaas van die PVC om die dwarsfiltersamestelling op sy plek te hou, sonder om te verstaan ​​dat dit nie 'n onderdeel op die ruimtestasie is nie, maar eerder die plastiekapparaat wat gebruik word om te verhoed dat die kaas in kontak kom met die deksel van die pizzaboks. Uiteindelik toets hulle 'n prototipe en Howard stel NASA in kennis van die oplossing, maar die ruimtetoilet klop blykbaar steeds. Die hele bemanning van die ruimtestasie neem 'n ongeskeduleerde ruimtewandeling om van die ruimtestasie te ontsnap.

Tydens Howard se sesde seisoenbesoek aan die ISS laat die meer ervare bemanning hom hul ruimtetoilet skoonmaak, wat sy stelsel kan wees.


Kosmiese inflasie en oerknal rimpelings

Physicists have found a long-predicted twist in light from the big bang that represents the first image of ripples in the universe called gravitational waves, researchers announced today. The finding is direct proof of the theory of inflation, the idea that the universe expanded extremely quickly in the first fraction of a nanosecond after it was born. What&rsquos more, the signal is coming through much more strongly than expected, ruling out a large class of inflation models and potentially pointing the way toward new theories of physics, experts say.

&ldquoThis is huge,&rdquo says Marc Kamionkowski, professor of physics and astronomy at Johns Hopkins University, who was not involved in the discovery but who predicted back in 1997 how these gravitational wave imprints could be found. &ldquoIt&rsquos not every day that you wake up and find out something completely new about the early universe. To me this is as Nobel Prize&ndashworthy as it gets.&rdquo

The Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) experiment at the South Pole found a pattern called primordial B-mode polarization in the light left over from just after the big bang, known as the cosmic microwave background (CMB). This pattern, basically a curling in the polarization, or orientation, of the light, can be created only by gravitational waves produced by inflation. &ldquoIt looks like a swirly pattern on the sky,&rdquo says Chao-Lin Kuo, a physicist at Stanford University, who designed the BICEP2 detector. &ldquoWe&rsquove found the smoking gun evidence for inflation and we&rsquove also produced the first image of gravitational waves across the sky.&rdquo

Such a groundbreaking finding requires confirmation from other experiments to be truly believed, physicists say. Nevertheless, the result has won praise from many leaders in the field. &ldquoThere&rsquos a chance it could be wrong, but I think it&rsquos highly probable that the results stand up,&rdquo says Alan Guth of the Massachusetts Institute of Technology, who first predicted inflation in 1980. &ldquoI think they&rsquove done an incredibly good job of analysis.&rdquo The BICEP2 detectors found a surprisingly strong signal of B-mode polarization, giving them enough data to surpass the &ldquo5-sigma&rdquo statistical significance threshold for a true discovery. In fact, the researchers were so startled to see such a blaring signal in the data that they held off on publishing it for more than a year, looking for all possible alternative explanations for the pattern they found. Finally, when BICEP2&rsquos successor at the same location, the Keck Array, came online and began showing the same result, the scientists felt confident. &ldquoThat played a major role in convincing us this is something real,&rdquo Kuo says.

The cosmic microwave background is a faint glow that pervades the entire sky, dating back to just 380,000 years after the big bang. Before then the baby universe was too hot and dense for light to travel far without bumping into matter. When it cooled to the point that neutral atoms could form, light was freed to fly through space unimpeded, and it became the CMB. This glow was discovered accidentally 1964 by Arno Penzias and Robert Wilson, who initially mistook it for interference caused by pigeon droppings on their antenna. Eventually, the scientists realized they had discovered an imprint from the primordial universe, a finding that won them the 1978 Nobel Prize in Physics. &ldquoIt&rsquos amazing what&rsquos come out of the CMB,&rdquo Wilson says. &ldquoInitially I didn&rsquot realize anywhere near how much information there might be coming from it. From my point of view, it&rsquos been a wonderful ride.&rdquo

BICEP2 uses about 250 thumbnailsize polarization detectors to look for a difference in the CMB light from a small patch of sky coming through its telescope in two perpendicular orientations. The instrument collected data between January 2010 and December 2012 at the Amundsen&ndashScott South Pole Station, where the cold, dry air offers especially stable viewing conditions. Another experiment there, the South Pole Telescope, reported finding B-mode polarization last year, although the signal it saw was at a different angular scale across the sky and was clearly due to the known process of gravitational lensing (a warping of light caused by massive objects) of the CMB by large galaxies, rather than the primordial gravitational waves seen here.

BICEP2 has plenty of competition in searching for B-mode polarization in the CMB: other projects include the Atacama B-mode Search (ABS) led by Princeton University the POLARBEAR experiment led by the University of California, Berkeley the high-altitude balloon&ndashborne E and B Experiment (EBEX) run by the University of Minnesota the Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) led by Johns Hopkins University and numerous others. Given that the BICEP2 team saw such a clear signal, these searches should easily confirm the results if they are real. &ldquoRight now it&rsquos just the tip of the iceberg,&rdquo Kamionkowski says. &ldquoIn the coming years we&rsquore going to be able to extract a huge amount from these measurements. It&rsquos a great thing, not just for the guys who found it but also for the people they scooped&rdquo because the different experiments should collect complementary data.

The BICEP2 researchers have reported a surprisingly large number for r, the ratio of the gravitational wave fluctuations in the CMB to the fluctuations caused by perturbations in the density of matter. This value was previously estimated to be less than 0.11 based on all-sky CMB maps from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck satellite. BICEP2&rsquos value, however, is around 0.20. &ldquoEverything hinges on this little r,&rdquo Guth says, &ldquoand this measurement changes things quite a bit. In fact, the models that looked like they were ruled out last week are now the models that are favored this week.&rdquo Such a high value of r, for instance, indicates that inflation began even earlier than some models predicted, at one trillionth of a trillionth of a trillionth of a second after the big bang.

The timing of inflation, in turn, tells physicists about the energy scale of the universe when inflation was going on. BICEP2&rsquos value of r suggests that this was the same energy scale at which all the forces of nature except gravity (the electromagnetic, strong and weak forces) might have been unified into a single force&mdashan idea called grand unified theory. The finding bolsters the idea of grand unification and rules out a number of inflation models that do not feature such an energy scale. &ldquoThis really collapses the space of plausible inflationary models by a huge amount,&rdquo Kamionkowski says. &ldquoInstead of looking for a needle in a haystack, we&rsquoll be looking for a needle in a bucket of sand.&rdquo Grand unified theories suggest the existence of new fields that act similarly to the Higgs field associated with the Higgs boson particle discovered in 2012. These new fields, in turn, would indicate that other, heavier Higgs boson particles also exist, although with masses so high they would be impossible to create in any traditional particle accelerator. &ldquoThis measurement is allowing us to use the early universe as a lab for new physics in energy ranges that are otherwise inaccessible to us,&rdquo Kamionkowski says.


Space Ripples Reveal Big Bang’s Smoking Gun

CAMBRIDGE, Mass. — One night late in 1979, an itinerant young physicist named Alan Guth, with a new son and a year’s appointment at Stanford, stayed up late with his notebook and equations, venturing far beyond the world of known physics.

He was trying to understand why there was no trace of some exotic particles that should have been created in the Big Bang. Instead he discovered what might have made the universe bang to begin with. A potential hitch in the presumed course of cosmic evolution could have infused space itself with a special energy that exerted a repulsive force, causing the universe to swell faster than the speed of light for a prodigiously violent instant.

If true, the rapid engorgement would solve paradoxes like why the heavens look uniform from pole to pole and not like a jagged, warped mess. The enormous ballooning would iron out all the wrinkles and irregularities. Those particles were not missing, but would be diluted beyond detection, like spit in the ocean.

“SPECTACULAR REALIZATION,” Dr. Guth wrote across the top of the page and drew a double box around it.

On Monday, Dr. Guth’s starship came in. Radio astronomers reported that they had seen the beginning of the Big Bang, and that his hypothesis, known undramatically as inflation, looked right.

Reaching back across 13.8 billion years to the first sliver of cosmic time with telescopes at the South Pole, a team of astronomers led by John M. Kovac of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics detected ripples in the fabric of space-time — so-called gravitational waves — the signature of a universe being wrenched violently apart when it was roughly a trillionth of a trillionth of a trillionth of a second old. They are the long-sought smoking-gun evidence of inflation, proof, Dr. Kovac and his colleagues say, that Dr. Guth was correct.

Inflation has been the workhorse of cosmology for 35 years, though many, including Dr. Guth, wondered whether it could ever be proved.

If corroborated, Dr. Kovac’s work will stand as a landmark in science comparable to the recent discovery of dark energy pushing the universe apart, or of the Big Bang itself. It would open vast realms of time and space and energy to science and speculation.

Confirming inflation would mean that the universe we see, extending 14 billion light-years in space with its hundreds of billions of galaxies, is only an infinitesimal patch in a larger cosmos whose extent, architecture and fate are unknowable. Moreover, beyond our own universe there might be an endless number of other universes bubbling into frothy eternity, like a pot of pasta water boiling over.

‘As Big as It Gets’

In our own universe, it would serve as a window into the forces operating at energies forever beyond the reach of particle accelerators on Earth and yield new insights into gravity itself. Dr. Kovac’s ripples would be the first direct observation of gravitational waves, which, according to Einstein’s theory of general relativity, should ruffle space-time.

Marc Kamionkowski of Johns Hopkins University, an early-universe expert who was not part of the team, said, “This is huge, as big as it gets.”

He continued, “This is a signal from the very earliest universe, sending a telegram encoded in gravitational waves.”

The ripples manifested themselves as faint spiral patterns in a bath of microwave radiation that permeates space and preserves a picture of the universe when it was 380,000 years old and as hot as the surface of the sun.

Dr. Kovac and his collaborators, working in an experiment known as Bicep, for Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, reported their results in a scientific briefing at the Center for Astrophysics here on Monday and in a set of papers submitted to The Astrophysical Journal.

Dr. Kovac said the chance that the results were a fluke was only one in 10 million.

Dr. Guth, now 67, pronounced himself “bowled over,” saying he had not expected such a definite confirmation in his lifetime.

“With nature, you have to be lucky,” he said. “Apparently we have been lucky.”

The results are the closely guarded distillation of three years’ worth of observations and analysis. Eschewing email for fear of a leak, Dr. Kovac personally delivered drafts of his work to a select few, meeting with Dr. Guth, who is now a professor at Massachusetts Institute of Technology (as is his son, Larry, who was sleeping that night in 1979), in his office last week.

“It was a very special moment, and one we took very seriously as scientists,” said Dr. Kovac, who chose his words as carefully as he tended his radio telescopes.

Andrei Linde of Stanford, a prolific theorist who first described the most popular variant of inflation, known as chaotic inflation, in 1983, was about to go on vacation in the Caribbean last week when Chao-Lin Kuo, a Stanford colleague and a member of Dr. Kovac’s team, knocked on his door with a bottle of Champagne to tell him the news.

Confused, Dr. Linde called out to his wife, asking if she had ordered anything.

“And then I told him that in the beginning we thought that this was a delivery but we did not think that we ordered anything, but I simply forgot that actually I did order it, 30 years ago,” Dr. Linde wrote in an email.

Calling from Bonaire, the Dutch Caribbean island, Dr. Linde said he was still hyperventilating. “Having news like this is the best way of spoiling a vacation,” he said.

By last weekend, as social media was buzzing with rumors that inflation had been seen and news spread, astrophysicists responded with a mixture of jubilation and caution.

Max Tegmark, a cosmologist at M.I.T., wrote in an email, “I think that if this stays true, it will go down as one of the greatest discoveries in the history of science.”

John E. Carlstrom of the University of Chicago, Dr. Kovac’s mentor and head of a competing project called the South Pole Telescope, pronounced himself deeply impressed. “I think the results are beautiful and very convincing,” he said.

Paul J. Steinhardt of Princeton, author of a competitor to inflation that posits the clash of a pair of universes as the cause of genesis, said that if true, the Bicep result would eliminate his model, but he expressed reservations about inflation.

Lawrence M. Krauss of Arizona State and others also emphasized the need for confirmation, noting that the new results exceeded earlier estimates based on temperature maps of the cosmic background by the European Space Agency’s Planck satellite and other assumptions about the universe.

“So we will need to wait and see before we jump up and down,” Dr. Krauss said.

Corroboration might not be long in coming. The Planck spacecraft will report its own findings this year. At least a dozen other teams are trying similar measurements from balloons, mountaintops and space.

Spirals in the Sky

Gravity waves are the latest and deepest secret yet pried out of the cosmic microwaves, which were discovered accidentally by Arno Penzias and Robert Wilson at Bell Labs 50 years ago. They won the Nobel Prize.

Dr. Kovac has spent his career trying to read the secrets of these waves. He is one of four leaders of Bicep, which has operated a series of increasingly sensitive radio telescopes at the South Pole, where the thin, dry air creates ideal observing conditions. The others are Clement Pryke of the University of Minnesota, Jamie Bock of the California Institute of Technology and Dr. Kuo of Stanford.

“The South Pole is the closest you can get to space and still be on the ground,” Dr. Kovac said. He has been there 23 times, he said, wintering over in 1994. “I’ve been hooked ever since,” he said.

Beeld

In 2002, he was part of a team that discovered that the microwave radiation was polarized, meaning the light waves had a slight preference to vibrate in one direction rather than another.

This was a step toward the ultimate goal of detecting the gravitational waves from inflation. Such waves, squeezing space in one direction and stretching it in another as they go by, would twist the direction of polarization of the microwaves, theorists said. As a result, maps of the polarization in the sky should have little arrows going in spirals.

Detecting those spirals required measuring infinitesimally small differences in the temperature of the microwaves. The group’s telescope, Bicep2, is basically a giant superconducting thermometer.

“We had no expectations what we would see,” Dr. Kovac said.

The strength of the signal surprised the researchers, and they spent a year burning up time on a Harvard supercomputer, making sure they had things right and worrying that competitors might beat them to the breakthrough.

A Special Time

The data traced the onset of inflation to a time that physicists like Dr. Guth, staying up late in his Palo Alto house 35 years ago, suspected was a special break point in the evolution of the universe.

Physicists recognize four forces at work in the world today: gravity, electromagnetism, and strong and weak nuclear forces. But they have long suspected that those are simply different manifestations of a single unified force that ruled the universe in its earliest, hottest moments.

As the universe cooled, according to this theory, there was a fall from grace, like some old folk mythology of gods or brothers falling out with each other. The laws of physics evolved, with one force after another splitting away.

That was where Dr. Guth came in.

Under some circumstances, a glass of water can stay liquid as the temperature falls below 32 degrees, until it is disturbed, at which point it will rapidly freeze, releasing latent heat.

Similarly, the universe could “supercool” and stay in a unified state too long. In that case, space itself would become imbued with a mysterious latent energy.

Inserted into Einstein’s equations, the latent energy would act as a kind of antigravity, and the universe would blow itself up. Since it was space itself supplying the repulsive force, the more space was created, the harder it pushed apart.

What would become our observable universe mushroomed in size at least a trillion trillionfold — from a submicroscopic speck of primordial energy to the size of a grapefruit — in less than a cosmic eye-blink.

Almost as quickly, this pulse would subside, relaxing into ordinary particles and radiation. All of normal cosmic history was still ahead, resulting in today’s observable universe, a patch of sky and stars billions of light-years across. “It’s often said that there is no such thing as a free lunch,” Dr. Guth likes to say, “but the universe might be the ultimate free lunch.”

Make that free lunches. Most of the hundred or so models resulting from Dr. Guth’s original vision suggest that inflation, once started, is eternal. Even as our own universe settled down to a comfortable homey expansion, the rest of the cosmos will continue blowing up, spinning off other bubbles endlessly, a concept known as the multiverse.

So the future of the cosmos is perhaps bright and fecund, but do not bother asking about going any deeper into the past.

We might never know what happened before inflation, at the very beginning, because inflation erases everything that came before it. All the chaos and randomness of the primordial moment are swept away, forever out of our view.

“If you trace your cosmic roots,” said Abraham Loeb, a Harvard-Smithsonian astronomer who was not part of the team, “you wind up at inflation.”


Does space have a shape?

Three theories that are instrumental in understanding the shape of the universe are the big bang, die theory of gravity en Einstein’s theory of general relativity. Cosmologists consider all of these theories when forming hypotheses about the shape of space. But what exactly do these theories try to explain?

The big bang theory is an attempt to describe the beginning of the universe. Through observation and analysis, astronomers determined that the universe is expanding. They have also detected and studied light that originated billions of years ago back when the universe was very young. They theorized that at one time, all the matter and energy in the universe was contained in an incredibly tiny point. Then, the universe expanded suddenly. Matter and energy exploded outward at millions of light years every fraction of a second. These became the building blocks for the universe as we know it.

The theory of gravity states that every particle of matter has an attraction to every other particle of matter. Specifically, particles will attract one another with a force proportional to their masses and inversely proportional to the square of the distance between them. The equation looks like this:

F is the force of gravitational attraction. The M and m represent the masses of the two objects in question. The r 2 is the distance between the two objects squared. So what’s the G? It’s the gravitational constant. It represents the constant proportionality between any two objects, no matter what their masses. The gravitational constant is 6.672 x 10 -11 N m 2 kg -2 [source: World of Physics]. That’s a very small number, and it explains why objects don’t just stick to each other all the time. It takes objects of great mass to have anything more than a negligible gravitational effect on other objects.

If the big bang theory is true, then when the universe began there must have been a huge burst of energy to push matter so far so fast. It had to overcome the gravitational attraction among all the matter in the universe. What cosmologists are trying to determine now is how much matter is actually in the universe. With enough matter, the gravitational attraction will gradually slow and then reverse the universe’s expansion. Eventually, the universe could shrink into another singularity. Dit word die genoem big crunch. But if there’s not enough matter, the gravitational attraction won’t be strong enough to stop the universe’s expansion, and it will grow indefinitely.

What about the theory of relativity? Besides explaining the relationship between energy and matter, it also leads to the conclusion that space is gebuig. Objects in space move in elliptical orbits not because of gravity, but because space itself is curved and therefore a straight line is actually a loop. In geometry, a straight line on a curved surface is a geodesic.

The three theories described above form the basis of the various theories about what the shape of space actually is. But there’s no actual consensus on which shape is the right one.

What are the theoretical shapes of space, and why don't we know which one is right? Find out in the next section.

General relativity suggests that just before the big bang, a point with zero volume and infinite density contained all the matter of the universe. This phenomenon is called a singulariteit. Matter that enters a black hole also enters a singularity as its volume reduces to zero and its density increases to infinity [source: Hawking].


Strength of gravity during the big bang? - Sterrekunde

All observations that have been made using the most powerful telescopes show that the universe looks the same in all directions.

The average density of galaxies is the same throughout the universe and does not change with distance or direction. This is called the Cosmological Principle.


On average and at large scales, the distribution of galaxies is the same throughout the universe.

Since the expansion of space occurs evenly at every point in the universe, galaxies are separating from each other at about the same pace, giving the universe a nearly uniform density and structure. As a result, the universe appears smooth at large distance scales. In scientific terms, it is said to be homogeneous and isotropic.


In the image on the left, the universe is isotropic. This means that if you stand at the center and look in every direction, the universe will look the same. In the image on the right, the universe is homogeneous. This means that if you stand in any place and look around, the universe will be the same.

Homogeneous and Isotropic: What's the Difference?

Homogeneous (usually pronounced homo-GEE-nee-us) literally means "to be the same throughout," no matter where you are in the universe. If you look at the universe from Earth or from a galaxy a million light-years away, it will look the same.

Isotropic (pronounced eye-so-TRO-pic) means to appear the same in every direction or viewing angle. This approximation breaks down when viewing the night sky from Earth since our planet is located inside of the Milky Way, but if you were able to stand at any point outside of a galaxy the universe would look the same in all directions.

Scientists are careful to distinguish between these separate concepts: uniform with respect to position (homogeneous), and uniform with respect to viewing angle (isotropic). While most intuitive examples will be both homogeneous and isotropic like our universe, in theory, there can be universes which exhibit one property and not the other.

Do Galaxies Expand?


If we expanded at the same rate as space, we would not perceive any expansion.

Planets, stars, and galaxies are bound together by gravity. On the short distance scales present in these systems the force of gravity is great enough to resist and stop the expansion of space. Gravity opposes the expansion of the universe on larger scales as well, but since the strength of gravity falls with the square of the distance according to the inverse square law, the force is not enough to halt the expansion. If every object expanded with space, including ourselves, we would not perceive any expansion at all.

What is the Universe expanding into?

The expansion of the universe is consistent with the Big Bang theory, but, what is the universe expanding into?

In short, nothing. Most cosmologists believe that the universe is infinite there is nothing outside of it. Space and time only exist within the universe. So, what happens when infinity expands? It is still infinity, just a bit bigger.

Rewinding the Universe

Think of the universe today as a movie playing. We see expansion: everything moving apart from everything else.

But what happens when we rewind the movie? Everything becomes closer and closer to everything else (and the universe becomes hotter and denser) until we reach the edge of scientific understanding: the Big Bang.


Press the "Rewind" button to go back in time!

We even have a picture that goes further back in time than this movie--to the infant universe known as the Cosmic Microwave Background.


Kyk die video: My 3D Animation of Big Bang Theory (Februarie 2023).