I seks måneder hvert år har de flerårige mørke og vind-fejet sletter af den sydlige polære iskappe en gennemsnitlig temperatur på ca. 58 grader Fahrenheit under nul. Om sommeren, når solen vender tilbage til sin seks måneder lange dag, bliver det islagte terræn næppe mere indbydende, med temperaturer, der klatrer til minus 20 grader. Ikke det sted, de fleste af os ville vælge at besøge.
Relateret indhold
- Se universet udvikle sig over 13 milliarder år
- Den store "tyngdekraftsbølge", der finder ud af, har faktisk lige været noget støv
- Videnskaben fra mandagens store ”tyngdekraftsbølge”, der blev forklaret på to minutter
- En ny kosmisk opdagelse kunne være det tætteste, vi er kommet til begyndelsen af tiden
Men hvis du er en astronom, der søger en samling af fotoner, der har strømmet mod os siden lige efter Big Bang, så er South Pole's Dark Sector Laboratory, hvad Met er til opera eller Yankee Stadium til baseball. Det er det førende sted at praktisere din handel. Med den koldeste og tørreste luft på jorden lader atmosfæren fotoner rejse næsten uhindret, hvilket giver de skarpeste jordbaserede rumbilleder, der nogensinde er taget.
I tre år modtog et team af astronomer ledet af den Harvard-Smithsonian-forsker John Kovac elementerne for at pege et brawnt teleskop kendt som Bicep2 (et akronym for den mindre eufoniske baggrundsafbildning af kosmisk ekstragalaktisk polarisering) på en plet af den sydlige himmel. I marts frigav holdet sine resultater. Skulle konklusionerne stå, vil de åbne et spektakulært nyt vindue på de tidligste øjeblikke i universet og vil fortjent fortælle blandt de vigtigste kosmologiske fund i det forrige århundrede.
Det er en historie, hvis rødder kan spores tilbage til historier om tidlig skabelse, der skal tilfredsstille den primære trang til at forstå vores oprindelse. Men jeg henter fortællingen senere - med Albert Einsteins opdagelse af den generelle relativitetsteori, det matematiske grundlag for rum, tid og al moderne kosmologisk tanke.
Bicep2-teleskopets fokusplan, vist under et mikroskop, blev udviklet af NASAs Jet Propulsion Laboratory. (Anthony Turner / JPL) 
Tyngdekraftsbølger strakt af inflation genererer et svagt, men karakteristisk mønster, kaldet B-mode signal, fanget af Bicep2. (BICEP2) 
Under inflationen (vist til venstre) skubbes en tyngdekraft udad og strækker universet i en lille brøkdel af et sekund. (WMAP) Bicep2-teleskopet, der blev vist ved skumring, opnåede den første detektering af et forudsagt gravitationsbølgemønster, har dets team annonceret. (Steffen Richter / Harvard University) Vred plads til Big Bang
I de første år af det 20. århundrede omskrev Einstein reglerne for rum og tid med sin specielle relativitetsteori. Indtil da har de fleste alle holdt sig til det Newtonske perspektiv - det intuitive perspektiv - hvor rum og tid giver en uforanderlig arena, hvor begivenheder finder sted. Men som Einstein beskrev det, i foråret 1905 brød en storm løs i hans sind, en voldsom nedbør af matematisk indsigt, der fejede Newtons universelle arena. Einstein argumenterede overbevisende om, at der ikke er nogen universel tid - ur i bevægelse krydser langsommere - og at der ikke er noget universelt rum - linealer i bevægelse er kortere. Den absolutte og uforanderlige arena gav plads til et rum og tid, der var formbar og fleksibel.
Efter denne succes vendte Einstein derefter en endnu stejlere udfordring. I godt over to århundreder havde Newtons universelle tyngdelov gjort et imponerende stykke arbejde med at forudsige bevægelsen af alt fra planeter til kometer. Alligevel var der et puslespil, som Newton selv udtrykte: Hvordan udøver tyngdekraften dens indflydelse? Hvordan påvirker Solen Jorden over ca. 93 millioner miles i det væsentlige tomme rum? Newton havde leveret en brugermanual, der gjorde det muligt for den matematiske dygtige at beregne effekten af tyngdekraften, men han var ikke i stand til at kaste hætten op og afsløre, hvordan tyngdekraften gør, hvad den gør.
På jagt efter svaret beskæftigede Einstein sig med et årti lang obsessiv, uhyggelig odyssey gennem arcane matematik og kreative flyvninger af fysisk fancy. I 1915 flammede hans geni gennem de endelige ligninger af den generelle relativitetsteori, hvor han til sidst afslørede mekanismen bag tyngdekraften.
Svaret? Rum og tid. Allerede uhakket fra deres Newtonske underbygninger af særlig relativitet, rum og tid sprang fuldt ud til livet i den generelle relativitet. Einstein viste, at meget som et skævt trægulv kan skubbe en rullende marmor, rum og tid selv kan fordreje og skubbe jordiske og himmelske kroppe til at følge banerne, der længe tilskrives tyngdekraftens indflydelse.
Imidlertid abstrakte formuleringen, generel relativitet lavede endelige forudsigelser, hvoraf nogle hurtigt blev bekræftet gennem astronomiske observationer. Dette inspirerede matematisk orienterede tænkere overalt til at udforske teoriens detaljerede implikationer. Det var værket af en belgisk præst, Georges Lemaître, der også havde en doktorgrad i fysik, der fremrykkede historien, vi følger. I 1927 anvendte Lemaître Einsteins ligninger af generel relativitet ikke på objekter i universet, som stjerner og sorte huller, men på hele universet selv. Resultatet bankede Lemaître tilbage på hælene. Regnestykket viste, at universet ikke kunne være statisk: Rummet var enten strækkende eller sammentrækkende, hvilket betød, at universet enten voksede i størrelse eller krympet.
Da Lemaître advarede Einstein om, hvad han havde fundet, spottede Einstein. Han troede, at Lemaître skubber matematikken for langt. Einstein var så sikker på, at universet som helhed var evigt og uforanderligt, at han ikke kun afviste matematiske analyser, der attesterede det modsatte, han indsatte en beskeden ændring i sine ligninger for at sikre, at matematikken kunne imødekomme hans fordomme.
Og det var fordommer. I 1929 afslørede de astronomiske observationer af Edwin Hubble ved hjælp af det kraftige teleskop ved Mount Wilson Observatory, at fjerne galakser alle skynder sig væk. Universet udvides. Einstein gav sig selv en eufemistisk klap i panden, en irettesættelse for ikke at have tillid til resultater, der kom ud af hans egne ligninger, og bragte hans tænkning - og hans ligninger - i overensstemmelse med dataene.
Store fremskridt, selvfølgelig. Men ny indsigt giver nye gåder.
Som Lemaître påpegede, hvis rummet nu udvides, så konkluderer vi ved at vikle den kosmiske film omvendt, at det observerbare univers blev stadig mindre, tættere og varmere længere tilbage i tiden. Den tilsyneladende uundgåelige konklusion er, at universet, vi ser, stammede fra en fænomenalt lille plet, der brød ud og sendte rum hævelse udad - hvad vi nu kalder Big Bang.
Men hvis det er rigtigt, hvad sendte rumopstand Og hvordan kunne et sådant outlandish forslag testes?
Inflationsteorien
Hvis universet opstod fra et svulmende varmt og intenst tæt ureal, som Lemaître kaldte det, så burde rummet svulme af, når rummet svulmede op. Beregninger, der blev foretaget ved George Washington University i 1940'erne og senere på Princeton i 1960'erne, viste, at Big Bangs restvarme ville manifestere sig som et bad med fotoner (lyspartikler), der ensartet fylder plads. Fotonernes temperatur ville nu være faldet til kun 2, 7 grader over absolut nul og placere deres bølgelængde i mikrobølgedelen af spektret - hvilket forklarer, hvorfor denne mulige relikvie fra Big Bang kaldes den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
I 1964 var to Bell Labs-forskere, Arno Penzias og Robert Wilson, ved ende, frustrerede over en stor jordbaseret antenne designet til satellitkommunikation. Uanset hvor de pegede mod antennen, stødte de på lydfilets mareridt: en uophørlig græsende baggrund. I flere måneder søgte de, men kunne ikke finde kilden. Derefter fangede Penzias og Wilson forbløffelse af de kosmologiske beregninger, der blev foretaget ved Princeton, hvilket antydede, at der skulle være et lavt niveau med stråleudfyldningsrum. Det uophørlige sus, indså forskerne, stammede fra Big Bangs fotoner, der kildede antennens modtager. Opdagelsen gav Penzias og Wilson Nobelprisen i 1978.
Fremtrædelsen af Big Bang-teorien skyrocketede, hvilket pressede forskere til at lade teorien adskille sig og søge uventede implikationer og mulige svagheder. En række vigtige spørgsmål blev bragt frem, men det vigtigste var også det mest
grundlæggende.
Big Bang beskrives ofte som den moderne videnskabelige teori om skabelse, det matematiske svar på Genesis. Men denne forestilling skjuver en væsentlig falskhed: Big Bang-teorien fortæller os ikke, hvordan universet begyndte . Det fortæller os, hvordan universet udviklede sig, begyndte et lille stykke fra et sekund efter, at det hele startede. Når den tilbagespolede kosmiske film nærmer sig den første ramme, bryder matematikken ned og lukker linsen, ligesom oprettelsesbegivenheden er ved at udfylde skærmen. Og så når det drejer sig om at forklare selve smellet - det primære skub, der må have sat universet foran på sin ekspansive kurs - er Big Bang-teorien tavs.
Det ville falde til en ung postdoktor i fysikafdelingen ved Stanford University, Alan Guth, at tage det vitale skridt hen imod at udfylde dette hul. Guth og hans samarbejdspartner Henry Tye fra Cornell University forsøgte at forstå, hvordan visse hypotetiske partikler kaldet monopoler muligvis kunne produceres i universets tidligste øjeblikke. Men ved beregning dybt ind i natten den 6. december 1979 tog Guth arbejdet i en anden retning. Han indså, at ligningerne ikke kun viste, at generel relativitet tilsluttede et essentielt hul i Newtonsk tyngdekraft - hvilket gav tyngdekraftens mekanisme - de afslørede også, at tyngdekraften kunne opføre sig på uventede måder. I henhold til Newton (og hverdagserfaring) er tyngdekraften en attraktiv kraft, der trækker et objekt mod et andet. Ligningerne viste, at tyngdekraften i Einsteins formulering også kunne være frastødende.
Alvorligheden af velkendte genstande, såsom Solen, Jorden og Månen, er helt sikkert attraktiv. Men matematikken viste, at en anden kilde, ikke en klump af stof, men i stedet energi, der er legemliggjort i et felt, der ensartet fylder et område, ville generere en tyngdekraft, der ville skubbe udad. Og grådigt så. En region, der kun er en milliarddel af en milliardedels, en billiondels centimeter på tværs, fyldt med det passende energifelt - kaldet oppblåsningsfeltet - ville blive skruet fast fra hinanden af den kraftige frastødende tyngdekraft, der potentielt strækker sig til så stor som det observerbare univers i en brøkdel et sekund.
Og det ville med rette kaldes et smell. Et stort smell.
Med efterfølgende forbedringer af Guths første implementering af frastødende tyngdekraft af forskere, herunder Andrei Linde, Paul Steinhardt og Andreas Albrecht, blev den inflationære teori om kosmologi født. Et troværdigt forslag til, hvad der antændte den udadvendte hævelse af plads, lå endelig på teoretikernes bord. Men er det rigtigt?
Test af inflation
Ved den første rødme kan det se ud som et fjols ærinde at søge bekræftelse af en teori, der tilsyneladende fungerede i en lille brøkdel af et sekund for næsten 14 milliarder år siden. Sikker på, at universet nu udvides, så noget sætte det i gang i første omgang. Men er det endda tænkeligt at kontrollere, at det blev udløst af en kraftig, men kort flash af frastødende tyngdekraft?
Det er. Og fremgangsmåden gør endnu en gang brug af mikrobølgebaggrundsstrålingen.
For at få en fornemmelse af hvordan, kan du forestille dig at skrive en lille besked, for lille til, at nogen kan læse, på overfladen af en tømt ballon. Blæse derefter ballonen op. Når det strækker sig, strækker din besked sig også og bliver synlig. På samme måde, hvis rummet oplevede dramatisk inflationær strækning, ville små fysiske aftryk, der blev sat ned under universets tidligste øjeblikke, blive strakt ud over himlen, hvilket muligvis også gjort dem synlige.
Er der en proces, der ville have præget en lille besked i det tidlige univers? Kvantefysik svarer med et rungende ja. Det kommer til usikkerhedsprincippet, fremført af Werner Heisenberg i 1927. Heisenberg viste, at mikrobølgen er underlagt uundgåelige “kvantejitter”, som gør det umuligt at samtidigt specificere visse funktioner, såsom både positionen og hastigheden af en partikel. For felter, der forekommer plads, viser usikkerhedsprincippet, at et feltets styrke også er underlagt kvantejitter, hvilket får dets værdi på hvert sted til at vride sig op og ned.
Tiår med eksperimenter på mikrorealmen har verificeret, at kvantejitterne er reelle og allestedsnærværende; de er kun ukendte, fordi udsvingene er for små til at kunne observeres direkte i hverdagen. Det er her den inflationære strækning af plads kommer til sin egen.
Meget som med din besked om den ekspanderende ballon, hvis universet gennemgik den overvældende udvidelse, der blev foreslået af inflationsteorien, ville de små kvantejitter i oppblæsningsfeltet - husk, det er det felt, der er ansvarlig for den frastødende tyngdekraft, blive strækket ind i makroworlden. Dette ville resultere i, at feltets energi er et touch større på nogle steder, og et touch mindre i andre.
Til gengæld ville disse variationer i energi have indflydelse på den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, idet temperaturen er lidt højere nogle steder og lidt lavere på andre. Matematiske beregninger afslører, at temperaturvariationerne ville være små - ca. 1 del i 100.000. Men - og dette er nøglen - temperaturvariationerne ville udfylde et specifikt statistisk mønster over himlen.
Fra og med 1990'erne har en række stadig mere raffinerede observationsprojekter - jord-, ballon- og rumbaserede teleskoper - søgt disse temperaturvariationer. Og fandt dem. Der er faktisk en betagende enighed mellem de teoretiske forudsigelser og de observationsdata.
Og med det kan du måske tro, at den inflationære tilgang var blevet bekræftet. Men som et samfund er fysikere omtrent lige så skeptiske som en gruppe, som du nogensinde vil støde på. I årenes løb foreslog nogle alternative forklaringer på dataene, mens andre rejste forskellige tekniske udfordringer for selve inflationen. Inflationen forblev langt væk fra den førende kosmologiske teori, men mange mente, at rygepistolen endnu ikke var fundet.
Indtil nu.
Krusninger i stoffets rum
Ligesom felter inden for rummet er underlagt kvantejitter, sikrer kvanteusikkerhed, at selve rummet også skal være underlagt kvantejittere. Hvilket betyder, at pladsen bør bølges som overfladen på en kogende gryde med vand. Dette er ukendt af den samme grund, at en granitbordplade synes glat, selvom dens overflade er fyldt med mikroskopiske ufuldkommenheder - bølgerne sker på ekstraordinært små vægte. Men endnu en gang, fordi inflationsudvidelse strækker kvantefunktioner ind i makrorealmen, forudsiger teorien, at de små bølgende spirer ud i langt længere krusninger i det rumlige stof. Hvordan kan vi opdage disse krusninger eller urbane gravitationsbølger, som de kaldes mere korrekt? For tredje gang er Big Bangs allestedsnærværende relik, den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, billetten.
Beregninger viser, at gravitationsbølger ville præge et snoet mønster på baggrundsstrålingen, et ikonisk fingeraftryk for inflationær ekspansion. (Mere præcist stammer baggrundstrålingen fra svingninger i det elektromagnetiske felt; retningen af disse svingninger, kendt som polarisering, bliver snoet i kølvandet på tyngdekraftsbølger.) Opdagelsen af sådanne hvirvler i baggrundsstrålingen er længe blevet respekteret som guldstandarden for etablering af inflationsteorien, den længe søgte rygepistol.
Den 12. marts sendte en pressemeddelelse, der lovede en "større opdagelse", udstedt af Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, nordamerikansk jordkontrol til Bicep2-missionen, åndeløse rygter, der kørte igennem det verdensomspændende fysiksamfund. Måske var hvirvlene fundet? På pressekonferencen den 17. marts blev rygterne bekræftet. Efter mere end et år med omhyggelig analyse af dataene meddelte Bicep2-teamet, at det havde opnået den første detektion af det forudsagte gravitationsbølgemønster.
Subtile hvirvler i de data, der er indsamlet på Sydpolen, vidner om kvantetremorier i rummet, strakt af inflationær ekspansion, og flyder gennem det tidlige univers.
Hvad betyder det hele?
Tilfældet for inflationsteorien er nu vokset stærk, idet det er et århundrede med omvæltning inden for kosmologien. Nu ved vi ikke kun, at universet udvides, ikke kun har vi et troværdigt forslag til, hvad der antændte udvidelsen, vi registrerer aftrykket af kvanteprocesser, der kildede plads i løbet af den fyrige første brøkdel af et sekund.
Men at være en af de skeptiske fysikere, omend en, der også er spændende, lad mig slutte med en vis kontekst for at tænke over denne udvikling.
Bicep2-teamet har gjort et heroisk stykke arbejde, men fuld tillid til dets resultater kræver bekræftelse fra uafhængige forskerteam. Vi bliver ikke nødt til at vente længe. Bicep2s konkurrenter har også været i hot forfølgelse af mikrobølghvirvlerne. Inden for et års tid, måske mindre, rapporterer nogle af disse grupper måske deres fund.
Hvad der er sikkert, er, at nuværende og fremtidige missioner vil give stadig mere raffinerede data, der vil skærpe den inflationære tilgang. Husk, at inflation er et paradigme, ikke en unik teori. Teoretikere har nu implementeret kerneideen om bang-as-frastødende tyngdekraft på hundreder af måder (forskellige antal oppblåsningsfelter, forskellige interaktioner mellem disse felter og så videre), hvor hver generelt giver lidt forskellige forudsigelser. Bicep2-dataene har allerede vundet de levedygtige modeller markant, og kommende data vil fortsætte processen.
Alt dette tilføjer en ekstraordinær tid for inflationsteorien. Men der er en endnu større lektion. Afhængig af den usandsynlige mulighed for, at hvirvlerne med bedre målinger forsvinder, har vi nu et nyt observationsvindue over kvanteprocesser i det tidlige univers. Bicep2-dataene viser, at disse processer forekommer på afstand skalaer mere end en billion gange mindre end dem, der er undersøgt af vores mest kraftfulde partikelaccelerator, Large Hadron Collider. For nogle år siden tog jeg sammen med en gruppe forskere et af de første skridt til at beregne, hvordan vores banebrydende teorier om den ultra-lille, ligesom strengteori, kunne testes med observationer af mikrobølgebaggrundsstrålingen. Nu, med dette hidtil uset spring ind i mikrorealmen, kan jeg forestille mig, at mere raffinerede studier af denne art meget vel kan indvarsle den næste fase i vores forståelse af tyngdekraften, kvantemekanikken og vores kosmiske oprindelse.
Inflation og multiverset
Til sidst, lad mig tage et problem, jeg hidtil omhyggeligt har undgået, et spørgsmål, der er så vidunderligt som det er spekulativt. En mulig biprodukt af inflationsteorien er, at vores univers måske ikke er det eneste univers.
I mange inflationsmodeller er opblæsningsfeltet så effektivt, at selv efter at have brændt det frastødende skub fra vores Big Bang, er feltet klar til at brændstof til endnu et big bang og endnu et. Hver smell giver sin egen ekspanderende verden, hvor vores univers bliver henvist til et blandt mange. Faktisk viser inflationsprocessen i disse modeller uendelig, den er evig og giver således et ubegrænset antal universer, der befolker en storslået kosmisk multivers.
Med bevis for, at det inflatoriske paradigme ophobes, er det fristende at konkludere, at tilliden til multiversen også bør vokse. Mens jeg er sympati for dette perspektiv, er situationen langt fra klar. Kvantumsvingninger giver ikke kun variationer inden for et givet univers - et fremragende eksempel er de mikrobølgebaggrundsvariationer, vi har diskuteret - de medfører også variationer mellem universerne i sig selv. Og disse variationer kan være betydningsfulde. I nogle inkarnationer af teorien kan de andre universer afvige selv i den slags partikler, de indeholder, og de kræfter, der er på arbejde.
I dette enormt udvidede perspektiv på virkeligheden er udfordringen at formulere, hvad inflationsteorien faktisk forudsiger. Hvordan forklarer vi, hvad vi ser her, i dette univers? Skal vi begrunde, at vores livsform ikke kunne eksistere i de forskellige miljøer i de fleste andre universer, og det er derfor, vi befinder os her - en kontroversiel tilgang, der slår nogle videnskabsmænd ud som en cop-out? Bekymringen er da, at med den evige version af inflationen, der gyder så mange universer, hver med forskellige træk, har teorien kapacitet til at undergrave vores grund til at have tillid til selve inflationen.
Fysikere kæmper fortsat med disse lakuner. Mange har tillid til, at dette kun er tekniske udfordringer for inflationen, som med tiden løses. Jeg er tilbøjelig til at være enig. Inflations forklarende pakke er så bemærkelsesværdig, og dens mest naturlige forudsigelser er så spektakulært tilpasset observation, at det hele synes næsten for smukt til at være forkert. Men indtil de subtiliteter, som multiverset rejser, er løst, er det klogt at forbeholde sig den endelige dom.
Hvis inflationen er rigtig, er de visionære, der udviklede teorien, og de pionerer, der bekræftede dens forudsigelser, fortjener Nobelprisen. Alligevel ville historien stadig være større. Prestationer af denne størrelse overskrider individet. Det ville være et øjeblik for os alle at stå stolte og undre os over, at vores kollektive kreativitet og indsigt havde afsløret nogle af universets mest dybt indeholdte hemmeligheder.
