الفلك

قوة الجاذبية أثناء الانفجار العظيم؟

قوة الجاذبية أثناء الانفجار العظيم؟



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.

كنت أشاهد فيلمًا وثائقيًا عن الانفجار العظيم ، قال أحد علماء الفلك إنه في البداية تم دمج القوى الأساسية الأربعة معًا ، ثم ظهرت لتصبح: القوى النووية القوية والضعيفة ، والقوة الكهرومغناطيسية وقوة الجاذبية. لقد ادعى أن القوة الأولى التي ظهرت هي قوة الجاذبية ، ومضى يقول إنه لو كانت قوة الجاذبية أضعف من كل شيء سيتطاير ، لذلك لن تتشكل أي مجرات ، وإذا كانت الجاذبية كبيرة جدًا مما سينتهي بنا الحال مع الأسود. ثقوب في كل مكان ، لذلك يجب أن تكون قوة الجاذبية صحيحة كما هي الآن. لم أتمكن من العثور على أي شيء يدعم هذه المعلومات عبر الإنترنت أو السبب وراء هذه المعلومات ، سيكون موضع تقدير أي مساعدة.


الحقيقة هي أننا لا نملك "نظرية كل شيء" عاملة أو مقبولة على نطاق واسع توحد الجاذبية مع نظريات المجال الأساسية والكمية الأخرى. ما لدينا هو دليل قوي على أن نظريات المجال الأخرى - الكهرومغناطيسية والنووية القوية والنووية الضعيفة - موحدة في طاقات عالية (في الواقع ، الأدلة قوية لدرجة أنني أشك في أنها محل نزاع على نطاق واسع على الإطلاق).

لدينا نظرية الجاذبية - النسبية العامة - التي يبدو أنها تعمل بشكل جيد في "معظم" الظروف ، على الرغم من أنها تحتوي أيضًا على فرادة (الثقوب السوداء) وهناك اختلاف جوهري بينها وبين النظريات الكمومية حول طاقة الفراغ (لذلك - ما يسمى بكارثة الفراغ).

ما نعرفه أيضًا هو أن الجاذبية تبدو أضعف بكثير من القوى الأخرى ، على الرغم من أنها يمكن أن تعمل على مسافات كبيرة جدًا وبالتالي فهي أساسية في تشكيل طبيعة كوننا.

هناك العديد من الحجج حول كيف / لماذا كوننا قادرًا على دعم الحياة / هو ما هو عليه. ربما يكون مجرد واحد من العديد / عدد لا حصر له من الأكوان التي لها مجموعة من الخصائص الفيزيائية وقد صادف أننا فقط في عالم "يعمل" من أجل الحياة - من الواضح أنه لا يمكن أن توجد حياة في كون له خصائص فيزيائية لا دعم الحياة.

من ناحية أخرى ، ربما نكون جميعًا داخل محاكاة كمبيوتر.

أود أن أقترح تعقب أعمال Max Tegmark أو Brian Greene لمزيد من المعلومات.


ما هو المصير النهائي للكون؟

مثلما تخيل روبرت فروست قدرين محتملين للأرض في قصيدته ، تصور علماء الكونيات مصرين محتملين للكون:

يتم تحديد تطور الكون من خلال الصراع بين زخم التوسع وجذب (أو دفع!) الجاذبية. يتم قياس معدل التمدد الحالي بواسطة ثابت هابل ، بينما تعتمد قوة الجاذبية على كثافة وضغط المادة في الكون. إذا كان ضغط المادة منخفضًا ، كما هو الحال مع معظم أشكال المادة التي نعرفها ، فإن مصير الكون تحكمه الكثافة.

إذا كانت كثافة الكون أقل من الكثافة الحرجة ، فسيتمدد الكون إلى الأبد ، مثل المنحنيات الخضراء أو الزرقاء في الرسم البياني أعلاه. قد تعمل الجاذبية على إبطاء معدل التمدد مع مرور الوقت ، ولكن بالنسبة للكثافات الأقل من الكثافة الحرجة ، لا يوجد سحب جاذبية كافٍ من المادة لإيقاف أو عكس التمدد الخارجي. يُعرف هذا أيضًا باسم "البرد الكبير" أو "التجمد الكبير" لأن الكون سوف يبرد ببطء أثناء تمدده حتى يصبح في النهاية غير قادر على الحفاظ على أي حياة.

إذا كانت كثافة الكون أكبر من الكثافة الحرجة ، فستنتصر الجاذبية في النهاية وسينهار الكون مرة أخرى على نفسه ، وهو ما يسمى "أزمة كبيرة" ، مثل المنحنى البرتقالي للرسم البياني. في هذا الكون ، توجد كتلة كافية في الكون لإبطاء التوسع إلى حد التوقف ، ثم عكسه في النهاية.

اقترحت الملاحظات الحديثة للمستعرات الأعظمية البعيدة أن تمدد الكون في الواقع يتسارع أو يتسارع ، مثل المنحنى الأحمر للرسم البياني ، مما يدل على وجود شكل من أشكال المادة ذات ضغط سلبي قوي ، مثل الثابت الكوني. يشار أحيانًا إلى هذا الشكل الغريب من المادة باسم & # 147dark energy & # 148. على عكس الجاذبية التي تعمل على إبطاء التمدد ، تعمل الطاقة المظلمة على تسريع التمدد. إذا كانت الطاقة المظلمة في الواقع تلعب دورًا مهمًا في تطور الكون ، فمن المرجح أن يستمر الكون في التوسع إلى الأبد.

هناك إجماع متزايد بين علماء الكونيات على أن الكثافة الكلية للمادة تساوي الكثافة الحرجة ، بحيث يكون الكون مسطحًا مكانيًا. ما يقرب من 24 ٪ من هذا في شكل مادة ضغط منخفض ، ويعتقد أن معظمها عبارة عن مادة مظلمة & # 147 non-baryonic & # 148 ، بينما يُعتقد أن 71٪ المتبقية في شكل ضغط سلبي & # 147 طاقة داكنة & # 148 ، مثل الثابت الكوني. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن الطاقة المظلمة هي القوة الدافعة الرئيسية وراء مصير الكون وستتوسع بشكل كبير إلى الأبد.


أسس علم الكون الانفجار الكبير

يعتمد نموذج الانفجار الكبير لعلم الكونيات على فكرتين رئيسيتين تعودان إلى أوائل القرن العشرين: النسبية العامة والمبدأ الكوني. من خلال افتراض أن المادة في الكون موزعة بشكل موحد على المقاييس الأكبر ، يمكن للمرء استخدام النسبية العامة لحساب تأثيرات الجاذبية المقابلة لهذه المادة. نظرًا لأن الجاذبية هي خاصية للزمكان في النسبية العامة ، فإن هذا يعادل حساب ديناميكيات الزمكان نفسه. تتكشف القصة على النحو التالي:

بالنظر إلى افتراض أن المادة في الكون متجانسة وخواص الخواص (المبدأ الكوني) ، يمكن إثبات أن التشويه المقابل للزمكان (بسبب تأثيرات الجاذبية لهذه المادة) يمكن أن يكون له واحد فقط من ثلاثة أشكال ، كما هو موضح بشكل تخطيطي في الصورة على اليسار. يمكن & quot؛ منحني & quot؛ مثل سطح الكرة ومحدود إلى حد & quot؛ يمكن & quot؛ منحني & quot؛ بشكل سلبي & quot؛ مثل السرج ومدى لانهائي أو يمكن & quot؛ مسطح & quot؛ ومدى لانهائي - مفهومنا & quot العادي & quot للفضاء. يتمثل أحد القيود الرئيسية للصورة الموضحة هنا في أنه يمكننا فقط تصوير انحناء مستوى ثنائي الأبعاد لمساحة فعلية ثلاثية الأبعاد! لاحظ أنه في عالم مغلق يمكنك أن تبدأ رحلة في اتجاه واحد ، وإذا سمح لك بالوقت الكافي ، فستعود في النهاية إلى نقطة البداية في عالم لا نهائي ، فلن تعود أبدًا.

قبل أن نناقش أيًا من هذه الصور الثلاث تصف كوننا (إن وجد) ، يجب علينا إجراء بعض إخلاء المسؤولية:

    لأن الكون له عمر محدد (

13.77 مليار سنة) يمكننا فقط رؤية مسافة محدودة في الفضاء:

تلعب المادة دورًا مركزيًا في علم الكونيات. اتضح أن متوسط ​​كثافة المادة يحدد بشكل فريد هندسة الكون (حتى الحدود المذكورة أعلاه). إذا كانت كثافة المادة أقل مما يسمى بالكثافة الحرجة ، فإن الكون مفتوح وغير محدود. إذا كانت الكثافة أكبر من الكثافة الحرجة ، فسيكون الكون مغلقًا ومحدودًا. إذا كانت الكثافة تساوي فقط الكثافة الحرجة ، يكون الكون مسطحًا ، ولكن من المفترض أنه لا يزال غير محدود. إن قيمة الكثافة الحرجة صغيرة جدًا: فهي تقابل ما يقرب من 6 ذرات هيدروجين لكل متر مكعب ، وهو فراغ جيد بشكل مذهل وفقًا للمعايير الأرضية! أحد الأسئلة العلمية الرئيسية في علم الكونيات اليوم هو: ما هو متوسط ​​كثافة المادة في كوننا؟ في حين أن الإجابة ليست معروفة بعد بشكل مؤكد ، يبدو أنها قريبة بشكل محير من الكثافة الحرجة.

بالنظر إلى قانون الجاذبية وافتراض حول كيفية توزيع المادة ، فإن الخطوة التالية هي العمل على ديناميكيات الكون - كيف يتطور الفضاء والمادة فيه مع مرور الوقت. تعتمد التفاصيل على بعض المعلومات الإضافية حول المادة في الكون ، أي كثافتها (الكتلة لكل وحدة حجم) وضغطها (القوة التي تمارسها لكل وحدة مساحة) ، لكن الصورة العامة التي تظهر هي أن الكون بدأ من حجم صغير جدًا. الحجم ، وهو حدث أطلق عليه لاحقًا اسم الانفجار العظيم ، بمعدل توسع أولي. بالنسبة للجزء الأكبر هذا معدل من التمدد يتباطأ (يتباطأ) منذ ذلك الحين بسبب سحب الجاذبية للمادة نفسها. السؤال الرئيسي لمصير الكون هو ما إذا كان جاذبية الجاذبية قوية بما يكفي لعكس التمدد في نهاية المطاف والتسبب في انهيار الكون مرة أخرى على نفسه. في الواقع ، أثارت الملاحظات الأخيرة احتمال أن يكون تمدد الكون في الواقع يتسارع (متسارعًا) ، مما يزيد من احتمال أن تطور الكون يهيمن عليه الآن شكل غريب من المادة له ضغط سلبي.

توضح الصورة أعلاه عددًا من السيناريوهات المحتملة للحجم النسبي للكون مقابل الوقت: يمثل المنحنى السفلي (الأخضر) كونًا مسطحًا ذو كثافة حرجة يتباطأ فيه معدل التمدد باستمرار (تصبح المنحنيات أفقية أكثر من أي وقت مضى) . يُظهر المنحنى الأوسط (الأزرق) كونًا مفتوحًا منخفض الكثافة يتباطأ تمدده أيضًا ، ولكن ليس بقدر كثافة الكون الحرجة لأن جاذبية الجاذبية ليست بنفس القوة. يوضح المنحنى العلوي (الأحمر) كونًا قد يكون فيه جزء كبير من كتلته / طاقته في نسيج الفضاء ذاته ، وهو مرشح رئيسي لما يسمى "الطاقة المظلمة" التي تسبب تمدد الكون إلى تسريع (تسريع). غالبًا ما يشار إلى هذه الطاقة على أنها & quot؛ ثابت كوزمولوجي & quot ، على الرغم من أنها تشير الآن إلى الطاقة التي تدفع الكون بعيدًا ، حيث اخترع أينشتاين المصطلح لموازنة معادلاته لكون ثابت الحجم. هناك أدلة متزايدة على أن كوننا يتبع المنحنى الأحمر.

يرجى مراعاة النقاط المهمة التالية لتجنب المفاهيم الخاطئة حول الانفجار العظيم والتوسع:

  • لم يحدث الانفجار العظيم في نقطة واحدة في الفضاء باعتباره & quot للانفجار. & quot. من الأفضل اعتباره الظهور المتزامن للفضاء في كل مكان في الكون. تلك المنطقة من الفضاء الواقعة ضمن أفقنا الحالي لم تكن بالفعل أكبر من نقطة في الماضي. ومع ذلك ، إذا كانت كل المساحة داخل أفقنا وخارجه لا نهائية الآن ، فقد وُلدت بلا حدود. إذا كانت مغلقة ومحدودة ، فقد وُلدت بحجم صفر ونمت من ذلك. في كلتا الحالتين لا يوجد & quot؛ مركز توسع & quot؛ وهي النقطة التي يتوسع منها الكون بعيدًا عن نقطة الأصل. في تشبيه الكرة ، ينمو نصف قطر الكرة مع توسع الكون ، لكن جميع النقاط على سطح الكرة (الكون) تنحسر عن بعضها البعض بطريقة متطابقة. لا ينبغي اعتبار الجزء الداخلي من الكرة جزءًا من الكون في هذا التشبيه.
  • بحكم التعريف ، الكون يشمل كل المكان والزمان كما نعرفه ، لذلك فهو خارج نطاق نموذج الانفجار العظيم لنفترض ما يتوسع الكون فيه. في الكون المفتوح أو المغلق ، يحدث الاقتباس & الاقتباس الوحيد للزمكان عند الانفجار العظيم (وربما نظيره في الأزمة الكبيرة) ، لذلك ليس من الضروري منطقيًا (أو معقولًا) النظر في هذا السؤال.
  • إنه خارج نطاق نموذج الانفجار العظيم أن نقول ما الذي أدى إلى الانفجار العظيم. هناك عدد من النظريات التخمينية حول هذا الموضوع ، لكن لم يقدم أي منها تنبؤات واقعية قابلة للاختبار حتى الآن.

حتى الآن ، الافتراض الوحيد الذي توصلنا إليه بشأن الكون هو أن مادته موزعة بشكل متجانس ومتناح على نطاقات كبيرة. هناك عدد من المعلمات المجانية في هذه العائلة من نماذج Big Bang التي يجب إصلاحها من خلال ملاحظات كوننا. أهمها: هندسة الكون (مفتوح أو مسطح أو مغلق) ومعدل التوسع الحالي (ثابت هابل) والمسار العام للتوسع ، في الماضي والمستقبل ، والذي يتم تحديده من خلال الكثافة الجزئية لأنواع مختلفة من المادة في الكون. لاحظ أن العصر الحالي للكون يتبع تاريخ التوسع ومعدل التوسع الحالي.

كما لوحظ أعلاه ، يتم تحديد هندسة الكون وتطوره من خلال المساهمة الجزئية لأنواع مختلفة من المادة. نظرًا لأن كلاً من كثافة الطاقة والضغط يساهمان في قوة الجاذبية في النسبية العامة ، فإن علماء الكونيات يصنفون أنواعًا من المادة من خلال & اقتباس الحالة & والعلاقة بين ضغطها وكثافة الطاقة. مخطط التصنيف الأساسي هو:

  • الإشعاع: يتكون من جسيمات عديمة الكتلة أو شبه عديمة الكتلة تتحرك بسرعة الضوء. تشمل الأمثلة المعروفة الفوتونات (الضوء) والنيوترينوات. يتميز هذا الشكل من المادة بوجود ضغط إيجابي كبير.
  • المادة الباريونية: في هذا السياق الكوني ، هذه & quot؛ مسألة عادية & quot؛ تتكون أساسًا من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. هذا الشكل من المادة ليس له أي ضغط ذي أهمية كونية.
  • المادة المظلمة: تشير بشكل عام إلى المادة غير الباريونية التي تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة العادية. في حين أنه لم تتم ملاحظة مثل هذه المسألة بشكل مباشر في المختبر ، فقد تم الاشتباه في وجودها منذ فترة طويلة لأسباب نوقشت في صفحة لاحقة. هذا الشكل من المادة ليس له ضغط كوني كبير.
  • الطاقة المظلمة: هذا شكل غريب حقًا من المادة ، أو ربما خاصية للفراغ نفسه ، والذي يتميز بضغط سلبي كبير (قوة طاردة). هذا هو الشكل الوحيد للمادة الذي يمكن أن يتسبب في تسارع أو تسريع تمدد الكون.

أحد التحديات المركزية في علم الكونيات اليوم هو تحديد الكثافة النسبية والإجمالية (الطاقة لكل وحدة حجم) في كل شكل من أشكال المادة ، لأن هذا ضروري لفهم التطور والمصير النهائي لكوننا.


وضع "الدويّة" في الانفجار العظيم

يتم توفير الصور للتنزيل على موقع مكتب MIT الإخباري للكيانات غير التجارية والصحافة وعامة الجمهور بموجب ترخيص Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. لا يجوز لك تغيير الصور المقدمة ، بخلاف قصها حسب الحجم. يجب استخدام حد ائتمان عند إعادة إنتاج الصور إذا لم يتم توفير أحدها أدناه ، فامنح الصور إلى "MIT".

الصورة السابقة الصورة التالية

كما تقول نظرية الانفجار العظيم ، في مكان ما قبل حوالي 13.8 مليار سنة ، انفجر الكون إلى الوجود ، على شكل كرة نارية صغيرة جدًا ومضغوطة من المادة التي تبرد مع تمددها ، مما أدى إلى ردود فعل أدت إلى ظهور النجوم والمجرات الأولى ، وجميع أشكال مهما نراه اليوم (وهو كذلك).

قبل أن يطلق الانفجار العظيم الكون في مساره المتوسع باستمرار ، يعتقد الفيزيائيون أن هناك مرحلة أخرى أكثر انفجارًا للكون المبكر: التضخم الكوني ، الذي استمر أقل من تريليون جزء من الثانية. خلال هذه الفترة ، تضخمت المادة - المادة اللزجة الباردة والمتجانسة - بشكل أسي سريعًا قبل أن تبدأ عمليات الانفجار العظيم في التوسع ببطء وتنويع الكون الرضيع.

دعمت الملاحظات الحديثة بشكل مستقل نظريات كل من الانفجار العظيم والتضخم الكوني. لكن العمليتين تختلفان اختلافًا جذريًا عن بعضهما البعض لدرجة أن العلماء كافحوا من أجل تصور كيفية اتباع أحدهما للآخر.

الآن قام الفيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكلية كينيون وأماكن أخرى بمحاكاة مرحلة وسيطة من الكون المبكر والتي ربما تكون قد ربطت التضخم الكوني بالانفجار العظيم. هذه المرحلة ، المعروفة باسم "إعادة التسخين" ، حدثت في نهاية التضخم الكوني وتضمنت عمليات تصارع المادة الباردة المنتظمة للتضخم في الحساء المعقد للغاية الذي كان موجودًا في بداية الانفجار العظيم.

يقول ديفيد كايزر ، أستاذ تاريخ العلوم وأستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ديفيد كايزر ، "إن فترة إعادة التسخين بعد التضخم تهيئ الظروف للانفجار العظيم ، وبمعنى ما تضع" الانفجار "في الانفجار العظيم". "إنها فترة الجسر حيث ينفجر كل الجحيم وتتصرف المادة بأي شيء سوى بطريقة بسيطة."

قام كايزر وزملاؤه بمحاكاة تفصيلية لكيفية تفاعل أشكال متعددة من المادة خلال هذه الفترة الفوضوية في نهاية التضخم. تُظهر عمليات المحاكاة التي قاموا بها أن الطاقة القصوى التي أدت إلى التضخم كان من الممكن إعادة توزيعها بنفس السرعة ، في غضون جزء صغير من الثانية ، وبطريقة أنتجت الظروف التي كان من الممكن أن تكون مطلوبة لبدء الانفجار العظيم.

وجد الفريق أن هذا التحول المتطرف كان يمكن أن يكون أسرع وأكثر كفاءة إذا عدلت التأثيرات الكمومية الطريقة التي تستجيب بها المادة للجاذبية عند طاقات عالية جدًا ، مبتعدًا عن الطريقة التي تتنبأ بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين يجب أن تتفاعل المادة والجاذبية.

يقول كايزر: "هذا يمكننا من سرد قصة متواصلة ، من التضخم إلى فترة ما بعد التضخم ، إلى الانفجار العظيم وما بعده". "يمكننا تتبع مجموعة مستمرة من العمليات ، كل ذلك باستخدام فيزياء معروفة ، لنقول أن هذه طريقة واحدة معقولة ظهر بها الكون ليبدو كما نراه اليوم."

تظهر نتائج الفريق اليوم في رسائل المراجعة البدنية. المؤلفون المشاركون لـ Kaiser هم المؤلف الرئيسي Rachel Nguyen ، و John T. Giblin ، وكلاهما من كلية كينيون ، وطالب الدراسات العليا السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Evangelos Sfakianakis و Jorinde van de Vis ، وكلاهما من جامعة Leiden في هولندا.

"متزامن مع نفسه"

نظرية التضخم الكوني ، التي تم اقتراحها لأول مرة في الثمانينيات من قبل آلان جوث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، V.F. يتوقع أستاذ الفيزياء ويسكوبف أن الكون بدأ على شكل ذرة صغيرة جدًا من المادة ، ربما يكون حجمها حوالي مائة مليار من حجم البروتون. كانت هذه البقعة مليئة بمادة فائقة الطاقة ، شديدة النشاط لدرجة أن الضغوط داخلها ولّدت قوة جاذبية منفرة - القوة الدافعة وراء التضخم. مثل شرارة الانصهار ، فجرت قوة الجاذبية هذه الكون الرضيع إلى الخارج ، بمعدل أسرع من أي وقت مضى ، مما أدى إلى تضخيمه إلى ما يقرب من ثمانمليون ضعف حجمه الأصلي (هذا هو الرقم 1 متبوعًا بـ 26 صفرًا) ، في أقل من تريليون من ثانية.

حاول كايزر وزملاؤه معرفة كيف كانت تبدو المراحل الأولى من إعادة التسخين - تلك الفاصل الزمني للجسر في نهاية التضخم الكوني وقبل الانفجار العظيم مباشرة.

"يجب أن تتميز المراحل الأولى من إعادة التسخين بأصداء. يسيطر شكل واحد من المواد عالية الطاقة ، وهو يهتز ذهابًا وإيابًا بالتزامن مع نفسه عبر مساحات شاسعة من الفضاء ، مما يؤدي إلى إنتاج متفجر لجزيئات جديدة ، كما يقول كايزر. "هذا السلوك لن يستمر إلى الأبد ، وبمجرد أن يبدأ في نقل الطاقة إلى شكل ثانٍ من المادة ، فإن تقلباته الخاصة ستصبح أكثر تقطعًا وغير متساوية عبر الفضاء. أردنا قياس المدة التي سيستغرقها هذا التأثير الرنان حتى يتفكك ، وتشتت الجسيمات المنتجة عن بعضها البعض وتصل إلى نوع من التوازن الحراري ، تذكرنا بظروف الانفجار العظيم ".

تمثل عمليات المحاكاة الحاسوبية للفريق شبكة كبيرة رسموا عليها خرائط لأشكال متعددة من المادة وتتبعوا كيف تغيرت طاقتها وتوزيعها في الفضاء وبمرور الوقت حيث قام العلماء بتغيير ظروف معينة. استندت الظروف الأولية للمحاكاة إلى نموذج تضخمي معين - مجموعة من التنبؤات لكيفية تصرف توزيع الكون المبكر للمادة أثناء التضخم الكوني.

اختار العلماء هذا النموذج الخاص للتضخم على غيره لأن تنبؤاته تتطابق بشكل وثيق مع القياسات عالية الدقة لخلفية الميكروويف الكونية - وهج متبقٍ من الإشعاع انبعث بعد 380 ألف سنة فقط من الانفجار العظيم ، والذي يُعتقد أنه يحتوي على آثار الفترة التضخمية.

قرص عالمي

تتبعت المحاكاة سلوك نوعين من المادة التي ربما كانت سائدة أثناء التضخم ، تشبه إلى حد بعيد نوعًا من الجسيمات ، بوزون هيغز ، الذي لوحظ مؤخرًا في تجارب أخرى.

قبل تشغيل عمليات المحاكاة ، أضاف الفريق "تعديلًا" بسيطًا لوصف النموذج للجاذبية. في حين أن المادة العادية التي نراها اليوم تستجيب للجاذبية تمامًا كما تنبأ أينشتاين في نظريته عن النسبية العامة ، فإن المادة عند طاقات أعلى بكثير ، مثل ما يعتقد أنه كان موجودًا أثناء التضخم الكوني ، يجب أن تتصرف بشكل مختلف قليلاً ، وتتفاعل مع الجاذبية بطرق هي المعدلة بميكانيكا الكم ، أو التفاعلات على المستوى الذري.

في نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، يتم تمثيل قوة الجاذبية على أنها ثابتة ، مع ما يشير إليه الفيزيائيون على أنه الحد الأدنى من الاقتران ، مما يعني أنه بغض النظر عن طاقة جسيم معين ، فإنه سيستجيب لتأثيرات الجاذبية بقوة يحددها ثابت عالمي.

ومع ذلك ، في الطاقات العالية جدًا التي يتم التنبؤ بها في التضخم الكوني ، تتفاعل المادة مع الجاذبية بطريقة أكثر تعقيدًا قليلاً. تتنبأ تأثيرات ميكانيكا الكم بأن قوة الجاذبية يمكن أن تختلف في المكان والزمان عند التفاعل مع مادة فائقة الطاقة - وهي ظاهرة تُعرف باسم الاقتران غير المحدود.

قام كايزر وزملاؤه بدمج مصطلح اقتران غير محدود في نموذجهم التضخمي ولاحظوا كيف تغير توزيع المادة والطاقة عندما قاموا بتحويل هذا التأثير الكمي لأعلى أو لأسفل.

في النهاية ، وجدوا أنه كلما كان تأثير الجاذبية المعدل الكمي أقوى في التأثير على المادة ، كان انتقال الكون أسرع من المادة الباردة والمتجانسة في التضخم إلى الأشكال المتنوعة والأكثر سخونة من المادة التي تميز الانفجار العظيم.

من خلال ضبط هذا التأثير الكمي ، يمكنهم جعل هذا الانتقال الحاسم يحدث على مدى 2 إلى 3 "طيات إلكترونية" ، في إشارة إلى مقدار الوقت الذي يستغرقه الكون (تقريبًا) ليتضاعف ثلاث مرات. في هذه الحالة ، تمكنوا من محاكاة مرحلة إعادة التسخين في غضون الوقت الذي يستغرقه الكون ليتضاعف ثلاث مرات في الحجم مرتين إلى ثلاث مرات. وبالمقارنة ، حدث التضخم نفسه على مدى 60 ضعفًا إلكترونيًا.

يقول كايزر: "كانت إعادة التسخين وقتًا مجنونًا ، عندما ساء كل شيء". "لقد أظهرنا أن المادة كانت تتفاعل بقوة في ذلك الوقت بحيث يمكن أن تسترخي في المقابل بسرعة أيضًا ، مما يمهد بشكل جميل المسرح للانفجار العظيم. لم نكن نعرف أن هذا هو الحال ، ولكن هذا هو ما ينشأ من هذه المحاكاة ، كل ذلك باستخدام الفيزياء المعروفة. هذا ما هو مثير بالنسبة لنا ".

يرى جوث ، المهندس الأصلي لنظرية التضخم الكوني ، أن نتائج المجموعة تمثل تطورًا جديدًا مهمًا في دراسة النماذج التضخمية.

"في حين أن إصدارات التضخم المستندة إلى شكل واحد من المادة تعطي ملاءمة جيدة بشكل ملحوظ للملاحظات ، فإن ديف ومعاونيه على مدى عدة سنوات كانوا يدرسون نماذج ذات دوافع جيدة تتضمن أشكالًا متعددة من المادة ... مما يعطي أيضًا ملاءمة ممتازة لـ البيانات ، "يقول غوث. وحتى الآن ، كان العمل مقتصرًا على دراسة المراحل المبكرة من انتهاء التضخم ، حيث تكون الرياضيات بسيطة نسبيًا. يعتمد العمل الجديد على محاكاة شبكية رقمية عالية الطاقة يمكنها التحقيق أكثر في التفاعلات المعقدة في نهاية التضخم. يُظهر العمل بشكل أكثر تحديدًا من أي وقت مضى أن فئة كبيرة من النماذج التي تتضمن أشكالًا متعددة من المادة في اتفاق ممتاز مع الملاحظات ".

يقول ريتشارد إيستر ، أستاذ الفيزياء في جامعة أوكلاند ، الذي لم يشارك في البحث. هذه الورقة تفتح آفاقًا جديدة من خلال محاكاة دقيقة لمرحلة ما بعد التضخم في النماذج التي تحتوي على العديد من المجالات الفردية والمصطلحات الحركية المعقدة. هذه محاكاة عددية صعبة للغاية ، وتوسع من أحدث التقنيات لدراسات الديناميات غير الخطية في الكون المبكر جدًا ".


اكتشاف كوني جديد قد يكون أقرب ما وصلنا إليه في بداية الزمن

منذ حوالي 13.8 مليار سنة ، قبل الانفجار العظيم مباشرة ، كان الكون الهائل المليء بالمجرات الذي نعرفه اليوم محصورًا داخل نقطة صغيرة ، كثيفة ، شديدة الحرارة. فجأة ، بدأ في التوسع بسرعة أكبر من سرعة الضوء & # 160 في انفجار كارثي. نما الكون من حجم دون ذري إلى حجم كرة جولف في جزء قصير غير مفهوم من الثانية.

المحتوى ذو الصلة

تشرح هذه اللحظة الأولى من التوسع ، والمعروفة باسم التضخم الكوني ، سبب انتظام الكون نسبيًا (على سبيل المثال ، تبدو المجرات التي تشكلت مع برودة الكون مبعثرة بشكل متساوٍ بقدر ما يستطيع التلسكوب رؤيته) وتشرح أيضًا بذور الكثافة. التي أدت إلى نشوء الكون وبنية # 8217.

إنها قصة جميلة ، ولكن لعقود بعد أن اقترحها الفيزيائيون ، كان دليلنا على ذلك محدودًا. رئيسنا & # 160 يعني دراسة الانفجار الكبير & # 8212 ، الإشعاع الخافت المتبقي من الانفجار المسمى & # 160cosmic micro background & # 160 (CMB) & # 8212 يعود إلى حوالي 380،000 سنة & # 160 بعد ذلك ، بدلاً من اللحظة نفسها.

ظهر دليل جديد مهم هذا الصباح ، عندما عثرت مجموعة من العلماء بقيادة عالم الفلك # 160John Kovac & # 160 of the & # 160Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics & # 160 & # 160 ، على دليل غير مباشر على & # 160 gravitational wave & # 8212minute distortions in مجال الجاذبية للكون & # 8212 الذي تم إطلاقه أثناء التضخم ، بعد جزء صغير من الثانية بعد الانفجار العظيم. إذا كانت النتيجة صحيحة ، فإن الموجات تكون بمثابة تأكيد على التضخم.

يقول الفيزيائي النظري آلان جوث ، الذي اقترح نظرية التضخم الكوني في عام 1979: "التضخم هو انفجار الانفجار العظيم. إنها الآلية التي تسببت في دخول الكون هذه الفترة من التوسع الهائل."

أتيحت الفرصة للعديد من الفيزيائيين الذين لم يشاركوا في البحث لتقييم البيانات الأولية ، وهم يتفقون مع التحليل. يقول & # 160Avi Loeb ، الفيزيائي النظري في مركز هارفارد سميثسونيان: "من المحتمل جدًا أن يكون هذا حقيقيًا" ، مشيرًا إلى أن الباحثين أمضوا ثلاث سنوات في تحليل البيانات للتخلص من أي فرصة لحدوث خطأ.

يوافق روبرت دبليو ويلسون ، الذي شارك في جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978 لاكتشافه الخلفية الكونية الميكروية ، ويعتقد أنه إذا تم تأكيده ، فإن العمل & # 160 شبه مؤكد & # 160 للحصول على جائزة نوبل. يقول لوب إن هذا الاكتشاف سيكون أحد أهم الاكتشافات الفيزيائية على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية & # 8212 أكبر من & # 160 & # 160 اكتشاف بوزون هيغز. & # 160

أثناء التضخم ، الظاهر في أقصى اليسار ، توسع الكون بعدة أوامر من حيث الحجم في جزء من الثانية. (الصورة من وكالة ناسا)

تنبأت نظرية التضخم بوجود الجاذبية القابلة للاكتشاف & # 160waves & # 8212 التي يشار إليها غالبًا باسم "تموجات في نسيج الزمكان" & # 8212. يقول غوث إن التقلبات الموجودة مسبقًا في قوة الجاذبية على مقياس & # 160 المجهري ، كان من الممكن أن تتمدد بسبب التضخم ، مما ينتج عنه موجات عيانية.

تعتمد الطبيعة الدقيقة للموجات على اللحظة الدقيقة التي حدث فيها التضخم. "هذا الاكتشاف لا يشير فقط إلى حدوث التضخم ، & # 8221 Loeb يقول ، & # 8220 ولكن أيضًا يخبرنا بوقت حدوثه": & # 160 & # 160 & # 160 10 -34 & # 160 (تتبع علامة عشرية بمقدار 33 صفرًا ثم ثانية واحدة) بعد بدء الانفجار العظيم.

مجموعة البحث ، التي تضمنت أيضًا & # 160Clement Pryke & # 160 of the University of Minnesota ، & # 160Jamie Bock & # 160of Caltech و & # 160Chao-Lin Kuo & # 160of & # 160Stanford ، لم تجد موجات الجاذبية نفسها ، ولكن بالأحرى دليل غير مباشر عليها ، في شكل نمط خاص من الاستقطاب الناجم عن الموجات في الخلفية الكونية الميكروية. & # 8220 بحث فريقنا عن نوع خاص من الاستقطاب يسمى أوضاع B ، والذي يمثل نمطًا ملتويًا أو ملتويًا في الاتجاهات المستقطبة للضوء القديم ، & # 8221 قال Bock & # 160 في بيان صحفي.

جمع الباحثون هذه البيانات باستخدام تلسكوب BICEP2 ، & # 160 الموجود في أنتاركتيكا ، حيث يحد الهواء البارد والجاف من التداخل من الغلاف الجوي للأرض على إشارة الخلفية الكونية الخافتة للميكروويف. BICEP2 هو واحد من مجموعة من التلسكوبات المتطابقة التي تبحث عن هذا التوقيع ، وتسمى Keck Array. هناك & # 8217s أيضًا تلسكوب القطب الجنوبي المجاور ، والذي أبلغ عن البيانات التي أشارت إلى وجود استقطاب في الوضع B في CMB الصيف الماضي. هذا & # 160instrument ، مع ذلك ، لم يكن & # 160 مصممًا لاكتشاف الاستقطاب بالمقياس الذي تنتجه موجات الجاذبية ، لذا من المحتمل أن & # 160it & # 160 نتج عن & # 160 تداخل المجرات البعيدة & # 160 الذي مر من خلاله CMB قبل الوصول إلى الأرض.

تلسكوب BICEP-2 (الطبق الأبيض على اليمين) ، جنبًا إلى جنب مع تلسكوب القطب الجنوبي (على اليسار). (الصورة من مشروع BICEP-2)

لا يزال من غير الواضح تمامًا ما إذا كان فريق BICEP2 قد اكتشف استقطابًا في النمط B وهو في الواقع دليل قاطع على موجات الجاذبية. مزيد من التأكيد يجب أن يأتي من البيانات التي تم جمعها من قبل وكالة الفضاء الأوروبية & # 160Planck Satellite & # 160 (الذي يراقب الخلفية الكونية الميكروية بزاوية أوسع بكثير) ، المقرر إصداره في نهاية الصيف. & # 160

إذا كان هذا صحيحًا ، فإن الاكتشاف سيقطع شوطًا طويلاً نحو التصديق على نظرية التضخم. يقول ويلسون: "إن وجود هذا الاستقطاب ، الناجم عن موجات الجاذبية ، هو آخر شيء كبير تنبأ به التضخم". "إنه يمنحك ثقة أكبر في أن هذا هو السيناريو الصحيح حقًا."

سيعكس أيضًا شيئًا مذهلاً حقًا: أقدم دليل لدينا على الإطلاق. & # 160

يقول لوب: "لا يمكنك استخدام الخلفية الكونية الميكروية لمعرفة ما حدث في بدايات الكون". خلال أول 380 ألف عام ، لم تتمكن الموجات الكهرومغناطيسية التي تشكل الإشعاع الكهرومغناطيسي من المرور بحرية عبر الفضاء. "إذا استطعنا النظر إلى موجات الجاذبية ، فيمكننا & # 160 العودة إلى البداية تقريبًا & # 160. & # 8221

عن جوزيف سترومبرج

كان جوزيف سترومبيرج سابقًا مراسلًا رقميًا لـ سميثسونيان.


مظهر

أثناء التحدث مع العصابة ، أعلن هوارد بفخر أن مرحاضه الفضائي يتم نشره في محطة الفضاء الدولية. بعد مراجعة المخططات ، أدرك أنه ارتكب خطأ "صغيرًا جدًا" في مواصفات صمام المحول ، والذي سيؤدي إلى تعطل المرحاض بعد حوالي عشر شطفات. مع العلم أن حياته المهنية معرضة للخطر ، فقد دعا شيلدون وراج لمساعدته في إيجاد طريقة لتقوية الهيكل بحيث تتجنب مواد النفايات التوربينات الدوارة (إبعاد النفايات عن المروحة).

يقترح راج استخدام بولي كلوريد الفينيل بحجم بوصتين لتعزيز مركز الدعم المتقاطع. بمجرد أن يقول هوارد أنه ليس جيدًا ، يوصي راج بدلاً من محاولة تعزيز الهيكل ، فإنهم يقومون فقط بتشغيل سطر آخر ، وتجاوزه تمامًا. يشير شيلدون إلى أنه لن يعمل لأن قطر الأنبوب غير كافٍ. بعد ذلك ، سأل راج عما إذا كان بإمكانهم تغيير موضع خزان التجميع ، لكن هوارد يكشف أنه لا توجد طريقة لتركيبه. وبالمثل ، يريد Howard وضع قطعة صغيرة من PVC خلف قضيب الدعم ، على الرغم من ذلك ، أخبر Sheldon Wolowitz أنه يبالغ في تقدير قوة الشد للبنية التحتية التي يقوم ببنائها. يُظهر Raj عنصرًا آخر بدلاً من PVC للحفاظ على مجموعة المرشح العرضي في مكانها ، دون أن يفهم أنها ليست قطعة غيار في محطة الفضاء بل هي أداة بلاستيكية تستخدم لمنع الجبن من الاتصال بغطاء الغطاء. pizza box. They eventually test a prototype and Howard notifies NASA with the solution, yet the space toilet apparently still fails. The entire space station crew takes an unscheduled space walk to escape the space station.

During Howard's sixth season visit to the ISS, the more experienced crew makes him clean out their space toilet which could be his system.


Cosmic Inflation and Big Bang Ripples

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 ص, 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 ص,&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 ص 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.

Image

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، ال theory of gravity و 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. This is called the 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 curved. 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 singularity. 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? - الفلك

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.


شاهد الفيديو: برنامج #لحظة: آلة الانفجار العظيم - سيرن الحلقة 18 Moment TV Show - The Big Bang Machine CERN (أغسطس 2022).