Evrenin kökeni hakkında büyük bir tartışma çıktı
İlk önce bir resme bakalım:
Yukarıdaki resim, tüm evrenin evrimsel tarihini basitçe anlatıyor. Bugün gördüğümüz galaksiler ve karmaşık yapıların tümü daha küçük, daha sıcak, daha yoğun ve daha tekdüze bir durumda başladı. Evrenin doğumundan hemen sonra Hemen yaşadı Üstel genişleme . Bu süreci tanımlayan teori denir Enflasyon teorisi (Enflasyon teorisi), onlarca yıldır evrenin kökenini açıklayan ana akım bilimsel teori olmuştur.
Ancak bu yılın Şubat ayında Scientific American dergisinde yayınlanan bir makale bu ahenkli durumu kırdı. Princeton Üniversitesi'nden (enflasyon teorisinin savunucularından biri) fizikçiler Anna Ijjas ve Paul Steinhardt ve Harvard Üniversitesi Astronomi Bölümü dekanı Abraham Loeb'e göre, Mevcut astronomik gözlem sonuçlarına göre enflasyon teorisi tatmin edici değil . Bunun yerine, evrenin sözde son evrenin çöküşünden geri döndüğüne inanıyorlar. "Büyük Ribaund" Teorisi . Tabii ki, büyük ribaund teorisini önermek bu tartışmanın ana nedeni değildi, teori aslında Steinhardt tarafından 2001 gibi erken bir tarihte ortaya atıldı.
(Not: Büyük toparlanma teorisiyle ilgilenen okuyucular, Paul J. Steinhardt ve Neil Turok'un ortak yazarı olan "The Endless Universe: Beyond the Big Bang" veya aynı konuyla ilgili çevrimiçi kursu okuyabilirler)
Ancak, makaleye şunu yazdılar: " ... Şu anki anlayışımıza göre, enflasyonist kozmoloji bilimsel yöntemlerle değerlendirilemez. Başka bir deyişle, enflasyon teorisinin bilimsel bir teori olmadığına, çünkü herhangi bir öngörüde bulunmadığına, dolayısıyla test edilemeyeceğine inanıyorlar.
Halkın öfkesini uyandıran tam da bu cümle yüzünden.
Bu makalenin zorluğuyla karşı karşıya kalan, kozmik enflasyon teorisinin yazarı Alan Guth, derhal bir çürütücü makale yazmak için David Kaiser, Andrei Linde ve Yasunori Nomura ile güçlerini birleştirdi. Orijinal makale ile ilgili birçok soruna dikkat çektiler, ancak Özellikle kabul edilemez olan şey, makalenin enflasyon teorisi hakkındaki argümanının test edilmemiş olmasıdır. Şöyle yazıyorlardı: "Bazı büyük uluslararası çalışmalar, enflasyonun sadece doğrulanabilir olmadığını, aynı zamanda şimdiye kadar tüm önemli testleri geçtiğini açıkça göstermiştir."
Aynı zamanda dört yazar, en iyi teorik fizikçilerin ve kozmologların imzalarını topladı ve görüşlerini dile getirdi. Bu insanlar arasında Stephen Hawking, Steven Weinberg, Frank Wilczek, Edward Witten, Martin Rees, Leonard Susskind, Lisa Randall ve dünyanın en iyi 33 fizikçisi yer alıyor. Bu insanlar bir araya gelirse, beşinci Solvay Konferansı'nın modern bir versiyonu gibidir.
Böylesine güçlü bir karşı saldırı ile karşı karşıya kalan üç fizikçi geri çekilmedi. Aksine, çürütücü makaleyi daha da analiz etti ve eleştirdi. Çürütücü makalenin ana fikrini görmezden geldiğini düşünüyorlar: Bir zamanlar uygulanabilir olduğu düşünülen enflasyon teorisi ile bugün anlaşılan teori arasındaki fark .
Birkaç gün önce, önemli bir makale ve fizikçi Sean Carroll (ortak yazarlardan biri) bu tartışmaya ilişkin görüşlerini yayınladı. Carroll şöyle dedi: Enflasyon teorisi muhtemelen nihai cevabın sadece bir parçasıdır, ancak bilimsel olduğuna hiç şüphe yoktur. .
Doğal olarak, bu tartışma yakında bitmeyecek ve zorluklarla yüzleşmek teoriyi daha mükemmel hale getirecektir. Bu bilim tarihinde sık sık olur. Ama bundan sonra tartışmak istediğimiz şey, bu tartışmayı ateşleyen temel nokta: "Enflasyon teorisi bilimsel bir teori mi?"
Bu yılın Şubat ayında, "KOK evrene gider" başlıklı bir makale, evrenin kökeni hakkında bir tartışma başlattı. (Resim kaynağı: Scientific American)
20. yüzyılın en büyük bilimsel başarılarından biri, evrenin genişlediğinin keşfedilmesiydi: zaman geçtikçe uzak galaksiler yavaş yavaş bizden uzaklaşacaklar, çünkü bu galaksilerle aramızdaki boşluk sürekli genişliyor. 20. yüzyılın ortalarında bilim adamları cesur bir fikir buldular. Evren bugün büyür ve soğursa, geçmişi daha küçük, daha sıcak ve daha yoğun olacaktır: Büyük patlama . Big Bang modeli, özellikle bilim adamları mikrodalga arka plan radyasyonu tespit ettiklerinde ve rakip teorileri tek seferde yendiklerinde, o zamanki gözlemlerle tutarlı birçok tahmin yaptı.
1990'larda, mikrodalga arka plan radyasyonunun dalgalanması ilk olarak COBE uyduları tarafından doğru bir şekilde ölçüldü. 2000'li yıllarda, WMAP daha doğru ölçümler gerçekleştirdi. Yukarıdaki resim en son Planck uydusu tarafından ölçülmüştür. Resim, erken evren hakkında birçok bilgi içeriyor. (Resim kaynağı: ESA)
Bununla birlikte, Big Bang çerçevesinde, tamamen açıklanamayan bazı fenomenler vardır:
Evrenin her yerinde sıcaklık neden aynı? Uzaydaki farklı alanlar ve farklı yönler, sıcaklık her yerde aynı olacak şekilde bilgi alışverişi için yeterli zamana sahip olmamalıdır. Ama gerçek şu ki, evrende her yerde aynı arka plan sıcaklığı var - 2.73 Kelvin.
Evren neden bu kadar düz? Tamamen bağımsız iki büyüklük miktarı ve madde / enerji yoğunluğu neden eşittir?
Evren ilk günlerde bu kadar yüksek bir enerjiye ulaştıysa, neden teorinin öngördüğü bazı yüksek enerjili kalıntılar görmedik? Örneğin, günümüz evreninin manyetik tek kutuplarla dolu olması gerekir, ancak bilim adamları herhangi bir manyetik tek kutup bulamadılar.
Soldaki resimde mavi çizgi, evrenin rekombinasyon periyodunu, yani mikrodalga fon radyasyonunun ayrılma süresini temsil etmektedir. O zaman herhangi iki uzak noktanın geçmiş ışık konilerinin = 0 (büyük patlama) olduğunda üst üste gelmediği görülebilir, bu da aralarında ışığın ulaşabileceği nedensel bir temas olmadığı anlamına gelir. En uzak mesafe kendi küçük dairelerinin içindedir (sağdaki resimde turuncu daireler) Eğer iki turuncu daire tekrar üst üste gelmediyse, sıcaklıkları neden bu kadar tutarlı? Bu sözde ufuk problemidir. (Resim kaynağı: D.Baumann)
Yukarıdaki ilk sorunun adı Ufuk sorunu . Evrenin genişlemesi Einstein'ın genel görelilik teorisinin kurallarına uyuyorsa, uzaydaki iki bölge arasındaki mesafe ışık hızını aşarsa, birbirleriyle "temas etmeden" termal dengeye nasıl ulaşırlar? Big Bang Teorisi bu soruya hiç cevap veremez. "Bu şekilde doğdu" diyemeyiz. Bilimsel bir bakış açısına göre, bu tamamen yetersizdir.
Ancak başka bir olasılık daha var. Belki de evrenin doğumundan hemen sonra üstel bir genişleme yaşadı. 1979 / 1980'de Alan Guth devrimci bir teori ortaya attı: Kozmik enflasyon . O zamandan beri, evrenin kökeni hakkındaki anlayışımız değişti.
Alan Guth'un 1979'daki notları. (Resim kaynağı: SLAClab)
Enflasyon, evren tarihinin diğer dönemlerindeki enflasyonla aynı şey değildir. Evren madde ve radyasyonla dolu olduğunda, enerji yoğunluğu genişlemeyle azalacaktır. Hacim genişlediğinde yoğunluk azalır, dolayısıyla genişleme oranı düşer. Ancak şişme sırasında, evren, uzayın doğasında var olan enerji ile doludur. Dolayısıyla evren genişledikçe daha fazla alan yaratarak yoğunluğunu koruyarak genişleme hızının düşmesini engeller. Bu fikir aynı anda bahsedilen üç bulmacayı çözer:
Bugün evrenin her yerinde sıcaklığın aynı olmasının nedeni, uzak geçmişte farklı bölgelerin, enflasyon onları ayırana kadar birbirine "dokunması" dır.
Evren düzdür çünkü enflasyon onu hızla uzaklaştırır ve onu düzlükten ayırt edilemez kılar. Pencerenin önünde durduğumuzda gördüğümüz dünya düz, ama aslında kavisli. Evrenin gerçek eğriliğini belirlemeye yetecek kadar gözlem yapamayız.
Evrenin şişmesi, manyetik tek kutupların birbirlerinden uzaklaşmasına neden olur ve şişme bittiğinde evren tekrar ısınır, ancak sıcaklık artık onları oluşturan yüksek sıcaklığa ulaşamaz.
Enflasyon teorisi, evrenin çok kısa bir süre içinde üstel bir genişleme yaşadığına inanmaktadır, bu nedenle geçmişte iletişim kurmadığı düşünülen iki nokta aslında ilk başta nedensel bir temas kurmuştur. (Resim kaynağı: D.Baumann)
Bundan sonra, enflasyon modeli Andrei Linde, Paul Steinhardt vb. Dahil başkaları tarafından daha da geliştirildi. Bilim adamları ayrıca, tüm gözlemlerle tutarlı olan izotropik (her yönde aynı) ve tek tip (her yerde aynı) evreni yeniden inşa edebilecek bazı modeller önerdiler. (Enflasyonun tek bir teori olmadığını, benzer ilkelere dayanan bir dizi model olduğunu belirtmekte fayda var. Elbette hiç kimse tüm modellerin doğru olduğuna inanmıyor.)
Bununla birlikte, bir teorinin başarılı bir bilimsel teori haline gelmesi için, doğrulanabilecek yeni tahminler yapabilmesi gerektiğini de hatırlamamız gerekir. Evet, enflasyon modeli altı önemli tahminde bulunuyor:
Evren mükemmel düzlüğe sahip olmalıdır. Enflasyon modeli, evrenin% 100'ünün "madde artı herhangi bir şey" olduğunu ve eğriliğin% 0 olduğunu öngörür. Bu tahmin CDM modeliyle de doğrulanmıştır Artık evrenin% 5'inin madde,% 27'sinin karanlık madde ve% 68'inin karanlık enerji olduğunu biliyoruz; ancak eğrilik hala% 0'dır.
Evrenin dalgalı enerji spektrumu ölçek olarak neredeyse sabittir. Kuantum fiziği haklıysa, evren şişme dönemlerinde bile kuantum dalgalanmaları yaşayacaktır. Bu dalgalanmalar da katlanarak artacaktır. Evrenin şişmesi sona erdiğinde, bu dalgalanmalar madde ve radyasyona dönüşecek ve yüksek ve düşük yoğunluklu alanlarla sonuçlanacak, böylece yıldızlar ve galaksiler büyüyebilecektir. Enflasyonun son aşamada nasıl ilerlediğine bağlı olarak farklı modeller, iniş ve çıkışların daha küçük veya daha büyük ölçeklerde biraz daha büyük olacağını öngörüyor. Mükemmel bir ölçek değişmezliği için n_s adlı bir parametre 1'e eşit olacaktır ve gözlemlenen değer n_s = 0.96'dır.
Big Bang'den bu yana, ışığın kat ettiği mesafeden daha büyük ölçekte inişler ve çıkışlar da oldu. Bu enflasyonun bir sonucudur. Bilim adamları, mikrodalga arka plan radyasyonunda ve evrendeki büyük ölçekli yapılarda bu dalgalanmaları görerek enflasyon modelini daha da doğruladılar.
Bu kuantum dalgalanmaları adyabatik olmalıdır. Birkaç farklı ondülasyon türü olabilir: adyabatik, sabit eğrilik veya ikisinin karışımı. Enflasyon, bu dalgalanmaların% 100 adyabatik olduğunu tahmin ediyor, bu da mikrodalga fon radyasyonunda ve büyük ölçekli yapılarda benzersiz sinyaller bırakacak.
Uzak geçmişte, evrenin maksimum sıcaklığı keyfi olarak yüksek değildi, ancak bir üst limiti vardı. Mikrodalga arkaplan radyasyonundan, evrenin ulaştığı en yüksek sıcaklığı çıkarabiliriz. Enflasyon yoksa, ilk günlerde evrenin sıcaklığı keyfi olarak yükselir. Ancak enflasyon meydana gelirse, Planck ölçeğinden (~ 10 ^ 19GeV) daha düşük bir enerji ölçeğinde gerçekleşmelidir. Gözlemlerden, evrenin herhangi bir noktasında şimdiye kadar ulaşılan en yüksek sıcaklığın ~ 10 ^ 16GeV'nin% 0.1'inden daha yüksek olmadığını bulduk, bu da enflasyon modelini daha da doğruladı.
Son olarak, özel bir enerji spektrumuna sahip ilkel yerçekimi dalgasını görmeliyiz. Orijinal yerçekimi dalgası, evren doğduğunda oluşan bir uzay-zaman dalgalanmasıdır. Mikrodalga arkaplan radyasyonunda benzersiz bir sinyal bırakacaktır. Bu doğrulanmamış altı tahminden sadece biridir. Farklı modeller, farklı boyutlardaki yerçekimi dalgalarını da tahmin eder.
Kozmik enflasyonun son tahmini, gözlemle doğrulanmayan tek tahmin olan orijinal yerçekimi dalgasının varlığıdır. (Resim kaynağı: NASA / JPL)
Bu nedenle, enflasyon teorisi geçmişte gerçekten büyük başarılar elde etti. 1980'lerin sonlarından bu yana, teorisyenler birçok fikir ortaya attılar ve çeşitli enflasyon modelleri geliştirdiler. Bazı modeller çok tuhaftır ve alışılmadık davranışlara sahiptir. Ancak en basit enflasyon modeli aslında bir Potansiyel enerji (Aşağıdaki şekildeki eğri).
Yavaş yuvarlanan enflasyon modeli. bir skaler alandır, şişirici. Enflasyondan sonra, şişirme alanı potansiyel enerji V () 'nin altında salınacaktır. Enflasyonun sona ermesinden sonra evrende hiçbir şeyin olmamasını önlemek için, şişiricinin standart model alanı ile eşleştirilmesi gerekir. Bu nedenle, şişirme alanının enerjisi sıradan parçacıklara dönüştürülebilir. (Resim kaynağı: D.Baumann)
Enflasyon alanı dipten uzak bir noktadan başlar ve yavaşça dibe yuvarlanarak enflasyonun en düşük noktada kalana kadar gerçekleşmesine neden olur. Kuantum etkileri bu alanda önemli bir rol oynar. Enflasyon nihayet durduğunda, enflasyon alanının enerjisi maddeye ve radyasyona dönüşecek ve büyük patlamanın başlamasına neden olacak.
Ancak, düzlükten uzak çok alanlı modeller, hızlı rulo modeller veya tasarım modelleri de önerebilirsiniz. Başka bir deyişle, modeli olduğu kadar karmaşık hale getirebilir ve hatta yukarıdaki altı tahmini ihlal edebilirsiniz. Bazı modellerde, birden çok evrenin varlığı da tahmin edilmektedir.
Bu aynı zamanda şu anki tartışma! Bunlardan biri, keyfi davranışlarla modeller tasarlayabildiğimiz için enflasyon teorisinin standart bir bilimsel teori olamayacağına inanıyor. Karşı taraf, enflasyonun bu başarılı tahminleri yaptığına inanır.Parametrelerin ölçülmesi daha doğru olduğu sürece, hangi modellerin uygulanabilir olduğunu sınırlayabilir ve sonunda hangi model veya modellerin fiziksel gerçekliği en iyi şekilde yansıtabileceğini belirleyebilir.
Herhangi biri enflasyonun yerini alacak bir model önerirse, o zaman önce enflasyon modelinin tüm başarısını kopyalamalıdır. Ancak şu anda bunu yapabilecek alternatif bir model yok. Ancak bu, enflasyon modelinin doğru olması gerektiği anlamına gelmediği gibi, hiç kimse bunun doğru olması gerektiğini de söylemiyor. Aslında enflasyon teorisiyle acilen çözülmesi gereken birçok sorun var. Ancak kesin olan şey, son birkaç on yılda, enflasyon teorisini destekleyen pek çok kanıt olduğu ve gözlemsel verilerin de bazı olası modelleri dışladığıdır. Şimdilik enflasyon teorisi, evrenin kökenini tanımlayan ana akım bilimsel teoridir.
Fizikçilerin de bu konuda daha fazla tartışmasını bekliyoruz.
Referans kaynağı:
[1] https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/
[2] https://blogs.scientificamerican.com/observation/a-cosmic-controversy/
[3]
[4] https://undark.org/2017/05/09/a-debate-over-cosmic-inflation-and-editing-at-scientific-american-gets-heated/
[5] https://undark.org/2017/05/09/a-debate-over-cosmic-inflation-and-editing-at-scientific-american-gets-heated/
[6]
[7] https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/05/11/what-if-cosmic-inflation-is-wrong/#8e507928e507
