Universet havde en begyndelse. Men hvor startede det? Hvad blev du i starten? Vi ved, at det hele startede med en temmelig hurtig ekspansion og sluttede med fremkomsten af et stort antal galakser lavet af små partikler. Men hvad kom der før? Hvad var fysikens love, da det hele startede? De berømte fysikere James Hartl og Stephen Hawking tilbød flere svar på disse spørgsmål for flere årtier siden. Et nyt arbejde fra en anden gruppe fysikere analyserede Hawking og Hartles populære fortolkning af Big Bang-geometri og løb ind i nogle problemer. Disse resultater kaster lys over problemet med universets begyndelse. En ny hindring, som alle fremtidens teorier bliver nødt til at overvinde.
”Vi forsøgte at foretage en strengere beregning og fik en anden løsning,” siger Job Feldbrügge, en hjemmehørende studerende ved Perimeter Institute. "Teorien, vi bruger, kaster nyt lys over eksisterende teori og viser, at den måske ikke fungerer, som vi forventede."
Forskere forsøger normalt at forstå universets begyndelse ved at se på Einsteins tyngdekraftlove, kaldet generel relativitet, og spille dem baglæns. De vil trods alt komme til det punkt, hvor universet var meget lille. Men de mest interessante spørgsmål opstår om, hvordan det unge univers så ud, var det lille nok til at adlyde kvantemekanikens love, som styrer de mindste partikler, atomer og fotoner.
Der er flere måder at starte et univers som vores på. Måske, troede Hawking og Hartle, var dette kondenserede univers kun et punkt i rummet med en speciel kvantetilstand, den såkaldte bølgefunktion, der beskriver det hele på kvantemekanikens sprog. Så kom tiden. Filosofi og religion har brug for at tale meget om dette emne, men matematikere har bare brug for pen og papir. Dette punktlignende univers udviklede sig fra matematikken i generel relativitet med de originale egenskaber af kvantemekanik indbygget i dens struktur. Således skulle disse bittesmå tilfældige udsving i energi i rummet i løbet af hurtig ekspansion - inflation - blive til store tæthedsforskelle, som vi observerer i det moderne univers, med galakser og hulrum. Hawking og Hartles teori var en af flere måder at markere begyndelsen på et univers uden en singularitet, et punkt på nul volumen og uendelig masse, der ikke gav meget mening. Andre ideer, som dem, der blev foreslået af Alexander Vilenkin, antydede ikke denne indledende singularitet.
En ny artikel, der for nylig blev vist på arXiv preprint-serveren, introducerer et problem. Beregnet i matematikken i Hawking, Hartles og Vilenkin fik det nye hold ikke de små kvantesvingninger, der var nødvendige for at skabe nutidens univers. I stedet for er disse udsving gigantiske og skaber et helt andet univers end vores.
”De beregninger, vi har foretaget, fører til stærke tyngdebølger efter Big Bang,” siger Feldbrugge - store udsving i form af selve rumtiden.”Det kunne ikke føre til et univers, som det er i dag. Beregningerne modsiger det, vi ser."
Hartl er ikke særlig bekymret for resultaterne fra Feldbrugge-holdet.”I kosmologi har vi stadig for lidt data i forhold til hvad det kunne have været,” siger han. "Så vi gør vores bedste for at støtte det stykke teori, der bedst passer til vores observationer." Han ser det nye arbejde som endnu et forsøg på at vende spillet rundt ved at tilbyde mere information og en anden matematisk vej, som forskere kan følge. "Forskere har ret til at vælge, om de vil forfølge denne idé eller en anden."
Hans team udgav for nylig også et nyt papir, der reviderede sin egen matematik og demonstrerede, hvorfor hans teori stadig fungerer.
Salgsfremmende video:
Alligevel synes Feldbrugges og hans teams matematik at vise, at et jævnt udseende af et univers uden nogen singularitet er "ikke en mulighed." Deres matematik bestrider direkte Hartle og Hawking.
At forbinde kvantemekanik og generel relativitet for at forklare universets begyndelse er hverken nyt eller et problem tæt på at løse. Faktisk er dette et af hovedproblemerne, som teoretiske fysikere forsøger at løse, i betragtning af dets betydning for forståelsen af universets oprindelse, når begge sæt love anvendes i samme skala og betydning for sorte huller, hvor tyngdekraften er så stærk, at lyset kan ikke forlade hende.
Men vigtigst af alt tror Feldbrugge ikke, at et univers, der begynder med kvantemekanikens og relativitetens love, kunne skabe små udsving, der ville føre til et univers som vores - han mener, at der må være noget andet.”Det er uklart, hvilken løsning der vil være den sidste mulighed,” siger han.
Fysikernes meninger om dette emne er meget forskellige. Paul Steinhardt, professor i fysik ved Princeton University, siger, at der allerede er alternative måder at undgå problemer i et nyt job såvel som andre klager over Hawking-Hartle-modellen. Denne såkaldte ubegrænsede model kræver nogle matematiske løsninger for at skabe et univers som vores.
”Hvad er alternativet? En afvisning uden enestående,”siger han og henviser til en model, han udvikler med Princeton-baseret kosmolog Anna Idjas. Ifølge denne model kollapser universet og udfolder sig derefter i vores eget univers, længe før man kan begynde at tænke på virkningerne af kvantemekanik.
Sabine Hossenfelder, en stipendiat ved Frankfurt Institute for Advanced Study, er usikker på de nye resultater.”Det eneste, jeg kan konkludere, er, at vi ikke vidste, hvordan universet begyndte, før dette arbejde blev skrevet. Og vi vidste det ikke, efter at dette arbejde blev offentliggjort”. Teoretikere tager matematik alvorligt og har lavet disse beregninger med tid og rum længe før teleskoper ville bekræfte dem. Den eneste måde at vide med sikkerhed, hvad der foregår, er gennem eksperimentering.
I dag kan de fleste af disse teorier bekræftes eller modbevises ved observationer af det ældste lys, der er kommet ned til os, den kosmiske mikrobølgebaggrund. Forskere håber, at indsigten fra deres teorier vil hjælpe med at isolere vigtige underskrifter fra disse data.
Er det muligt at kontrollere Feldbrugges og hans teams arbejde? De er lige ved at komme i gang. Det vil naturligvis tage lang tid at kontrollere. Forskere skal i sidste ende skabe et univers, der ligner vores. Men detaljerne i denne proces er endnu ikke bestemt.
ILYA KHEL
