Bintang dan galaksi yang kita lihat hari ini tidak selalu ada, dan semakin jauh kita pergi, semakin dekat dengan kelancaran Semesta yang sempurna, tetapi ada batasan kelancaran yang dapat dicapai, jika tidak, kita tidak akan mempunyai struktur sama sekali hari ini. Untuk menjelaskan semuanya, kita memerlukan pengubahsuaian terhadap Big Bang: inflasi kosmologi. (NASA, ESA, dan A. Feild (STScI))

Mengapa Alam Semesta Kita Tidak Sempurna?

Sekiranya ada, kita tidak akan berada di sini. Tetapi ada jawapan saintifik yang telah disahkan secara spektakuler.

Ketika kita memeriksa Alam Semesta kita, melihat planet, bintang, galaksi, dan ruang kosong kosmik yang memisahkannya, "halus" bukanlah kata pertama yang terlintas di fikiran. Jaringan kosmik yang sangat besar adalah salah satu perkara paling gemuk yang dapat dibayangkan di Alam Semesta, dengan planet seperti Bumi kira-kira 1030 kali lebih padat daripada purata. Namun Alam Semesta tidak selalu seperti ini, atau tidak akan berevolusi untuk muncul seperti yang kita lihat hari ini. Ia mesti dilahirkan hampir sempurna, di mana ketidaksempurnaan hanya beberapa bahagian dalam 100,000, atau tidak memerlukan ratusan juta tahun untuk membentuk galaksi pertama. Tetapi ketidaksempurnaan kecil itu penting, atau kita tidak akan membentuk struktur yang kita lihat sekarang! Setelah berabad-abad tidak memahami bagaimana ini berlaku, salah satu teori kosmologi yang paling kontroversial, inflasi, memberikan jawapannya. Dan setelah pengukuran kami mencapai ketepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya, ramalannya dapat dilihat dengan baik.

Sejarah visual Alam Semesta yang berkembang merangkumi keadaan panas dan lebat yang dikenali sebagai Big Bang dan pertumbuhan dan pembentukan struktur selepas itu. Namun, untuk mendapatkan struktur yang kita lihat hari ini, Alam Semesta tidak mungkin dilahirkan dengan sempurna. (NASA / CXC / M. Weiss)

Menurut inflasi kosmik, Big Bang yang panas bukanlah awal ruang dan waktu, tetapi hanyalah keadaan awal yang panas, padat, berkembang pesat. Itu adalah inflasi kosmik, fasa di mana Alam Semesta dikuasai bukan oleh jirim dan radiasi, tetapi oleh tenaga yang melekat pada ruang itu sendiri, yang membentuk Big Bang. Fasa inflasi ini dicirikan oleh pengembangan ruang yang eksponensial, di mana Alam Semesta berlipat ganda, kemudian empat kali lipat, kemudian berukuran (dll) bertambah seiring dengan berjalannya waktu. Setelah hanya 10-33 saat, wilayah ukuran rentetan teori dari teori rentetan akan diperluas ke skala yang lebih besar daripada alam semesta yang dapat dilihat sekarang. Dengan kata lain, inflasi kosmik mengambil apa sahaja yang ada sebelumnya dan meregangkannya dengan betul, benar-benar, dan sempurna rata-rata.

Inflasi menyebabkan ruang mengembang secara eksponensial, yang dengan cepat dapat mengakibatkan ruang melengkung atau tidak licin yang ada sebelumnya kelihatan rata. Sekiranya Alam Semesta memiliki kelengkungan sama sekali, ia mempunyai jejari kelengkungan beratus-ratus kali lebih besar daripada yang dapat kita perhatikan. (E. Siegel (L); Tutorial kosmologi Ned Wright (R))

Ini nampaknya, pada pandangan pertama, menimbulkan masalah yang luar biasa. Sekiranya inflasi meregangkan ruang untuk menjadi rata, seragam, dan halus, tidak dapat dibezakan dari kesempurnaan, bagaimana kita sampai di Alam Semesta yang penuh dengan kegelapan hari ini? Kedua-dua teori graviti Newton dan Einstein tidak stabil terhadap ketidaksempurnaan, yang bermaksud bahawa jika anda memulakan dengan Alam Semesta yang hampir sempurna tetapi tidak sempurna, lama-kelamaan, ketidaksempurnaan akan bertambah dan anda akan berakhir dengan struktur. Tetapi jika anda memulakan dengan kelancaran sempurna, tanpa ketidaksempurnaan, anda akan kekal lancar selamanya. Namun ini tidak berlaku sama dengan Alam Semesta yang kita amati sama sekali; ia mesti dilahirkan dengan ketidaksempurnaan dalam kepadatan jirimnya.

Peta corak penggumpalan / pengelompokan yang dipamerkan galaksi di Alam Semesta kita hari ini. Keperluan untuk sampai ke sana adalah ketidaksempurnaan awal dalam ketumpatan jirim / tenaga. (Pusat Penerbangan Angkasa Goddard Greg Bacon / STScI / NASA)

Oleh itu, gambaran inflasi yang naif ini pasti tidak lengkap. Pasti ada cara untuk menghasilkan ketidaksempurnaan ini, jika tidak, Alam Semesta tidak akan wujud seperti yang kita lihat. Tetapi harta benda yang penting dari Alam Semesta, dan inflasi, datang untuk menyelamatkan dengan cara yang paling menakjubkan. Anda lihat, ruang kosong itu sendiri tidak rata dan licin, tetapi pada skala terkecil, menunjukkan turun naik kuantum.

Visualisasi pengiraan teori medan kuantum menunjukkan zarah maya dalam vakum kuantum. Walaupun di tempat kosong, tenaga vakum ini tidak sifar. (Derek Leinweber)

Ini dapat dilihat dalam banyak cara: ketidakpastian yang wujud terhadap tenaga ruang itu sendiri; sebagai turun naik vakum; atau sebagai kumpulan pasangan zarah-antipartikel yang muncul dalam dan tidak wujud. Tetapi tidak kira bagaimana anda melihatnya, satu perkara tetap jelas: jika anda merangka kepadatan tenaga Alam Semesta, dan melihatnya pada skala yang sangat kecil dan berbutir, anda akan melihat bahawa ia tidak seragam dan tetap di angkasa atau masa, walaupun anda membuang semua perkara dan sinaran daripadanya. Terdapat turun naik kuantum yang melekat pada struktur ruang itu sendiri.

Ilustrasi Alam Semesta awal yang terdiri daripada buih kuantum, di mana fluktuasi kuantum besar, bervariasi, dan penting pada skala terkecil. (NASA / CXC / M.Weiss)

Biasanya, turun naik ini saling membatalkan, rata-rata, dan jadi anda hanya menggunakan tenaga titik sifar kecil yang positif melekat pada ruang itu sendiri. Tetapi semasa inflasi, fluktuasi kuantum ini tidak berpeluang rata-rata, kerana ruang itu sendiri berkembang dengan kadar eksponensial ini!

Sebaliknya, apa yang berlaku adalah bahawa turun naik ini meluas ke seluruh Alam Semesta, dan jadi idea mengenai fluktuasi kuantum tidak lagi terbatas pada skala yang sangat kecil. Dalam skala waktu yang hanya sepersekian detik kecil, kesan kuantum ini dapat menjadi fluktuasi tenaga pada skala bintang, galaksi, atau bahkan alam semesta!

Fluktuasi kuantum yang berlaku semasa inflasi memang meregangkan seluruh Alam Semesta, tetapi ia juga menyebabkan turun naik dalam jumlah ketumpatan tenaga, meninggalkan kita dengan jumlah kelengkungan spasial yang bukan nol yang tersisa di Alam Semesta hari ini. Fluktuasi medan ini menyebabkan ketidaksempurnaan kepadatan pada awal Alam Semesta, yang kemudian menyebabkan turun naik suhu yang kita alami pada latar belakang gelombang mikro kosmik. (E. Siegel / Di Luar Galaksi)

Ketika inflasi terus berlanjut, turun naik skala kuantum baru, menghasilkan turun naik skala kecil yang lebih tinggi di atas yang berskala besar. Ini berterusan dan berterusan, mewujudkan corak turun naik, dan kawasan rawak dari semua ukuran yang mempunyai kepadatan tenaga yang terlalu padat dan kurang, selama inflasi berterusan.

Kemudian, setelah jangka masa yang tidak ditentukan, inflasi berakhir. Dan apabila ini berlaku, semua tenaga yang melekat pada ruang itu sendiri berubah menjadi bahan, antimateri, dan radiasi. Ketika inflasi berakhir, Big Bang mulai panas, dan Alam Semesta penuh dengan barang-barang.

Analogi bola yang meluncur di permukaan yang tinggi adalah ketika inflasi berterusan, sementara struktur runtuh dan melepaskan tenaga mewakili penukaran tenaga menjadi zarah. (E. Siegel)

Tetapi di wilayah-wilayah yang pada awalnya terlalu padat dari segi tenaga, kerana turun naik kuantum semasa inflasi, sedikit lebih banyak bahan, antimateri, dan radiasi daripada rata-rata akan ada di tempat-tempat tersebut. Di wilayah yang kurang padat, bahan, antimateri, dan radiasi yang kurang dari rata-rata akan wujud di sana. Dan spektrum overdensity dan underdensity ini akan menghasilkan kawasan yang lebih sejuk dan panas, dari segi suhu, di Alam Semesta.

Kawasan ruang yang sedikit lebih padat daripada rata-rata akan membuat sumur berpotensi gravitasi yang lebih besar untuk keluar, yang bermaksud cahaya yang timbul dari kawasan-kawasan itu kelihatan lebih sejuk pada waktu ia tiba di mata kita. Sebaliknya, kawasan yang padat akan kelihatan seperti kawasan panas, sementara kawasan dengan kepadatan rata-rata yang sempurna akan mempunyai suhu rata-rata yang sempurna. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Setelah Alam Semesta wujud sebentar, mengembang dan menyejukkan badan, graviti mula berfungsi. Ini meningkatkan turun naik yang ada ke arah mana pun mereka pergi dari rata-rata. Kawasan yang sedikit panas, menjadi padat, akan lebih mudah menyerahkan masalahnya ke kawasan yang lebih padat. Kawasan yang lebih sejuk, yang terlalu padat, akan menarik bahan dengan lebih berkesan daripada kawasan yang padat atau kepadatan rata-rata.

Terdapat keseimbangan yang rumit antara gravitasi, yang berfungsi untuk menarik segalanya mengikut logik di atas, dan radiasi, yang menekan kembali ke kawasan yang menjadi terlalu padat terlalu cepat. Interaksi kekuatan inilah, antara gravitasi, radiasi, dan turun naik awal dari inflasi, yang menimbulkan benjolan, goyangan, dan ketidaksempurnaan yang kita lihat dalam latar gelombang mikro kosmik.

Fluktuasi CMB didasarkan pada fluktuasi primordial yang dihasilkan oleh inflasi. Khususnya, 'bahagian rata' pada skala besar (di sebelah kiri) tidak mempunyai penjelasan tanpa inflasi, namun besarnya turun naiknya mengekang skala tenaga maksimum yang dicapai oleh Alam Semesta pada akhir inflasi. Ini jauh lebih rendah daripada skala Planck. (Pasukan Sains NASA / WMAP)

Fluktuasi awal, rata-rata, pasti mempunyai nilai rata-rata 1-bahagian-dalam-30,000 atau lebih, itulah bagaimana kita sampai pada turun naik yang kita perhatikan dalam cahaya sisa Big Bang. Fluktuasi ini kemudian tumbuh, setelah Alam Semesta menjadi neutral dan sinaran berhenti menghamburkan elektron, untuk menghasilkan struktur berskala besar yang kita lihat di Alam Semesta hari ini. Dari masa ke masa, ini membawa kepada pertumbuhan graviti menjadi bintang, galaksi, kelompok, dan ruang kosong kosmik yang memisahkan mereka.

Pandangan terperinci di Alam Semesta menunjukkan bahawa ia terbuat dari bahan dan bukan antimateri, bahawa bahan gelap dan tenaga gelap diperlukan, dan bahawa kita tidak mengetahui asal usul mana-mana misteri ini. Walau bagaimanapun, turun naik CMB, pembentukan dan korelasi antara struktur berskala besar, dan pemerhatian moden mengenai lensa graviti semua menunjukkan arah yang sama, yang berasal dari inflasi kosmik. (Chris Blake dan Sam Moorfield)

Sekiranya Alam Semesta dilahirkan dengan sempurna, tidak akan ada cara untuk memperoleh struktur terperinci, baik pada skala besar maupun kecil, yang kita miliki sekarang. Pemerhatian kami mensyaratkan bahawa, entah bagaimana, turun naik dengan skala yang sama ada pada semua skala, dan semesta perlu dilahirkan dengan cara ini. Ketika inflasi pertama kali berteori pada akhir 1970-an dan awal 1980-an, tidak ada cara untuk mengetahui bagaimana turun naik ini; ini adalah ramalan bahawa inflasi dibuat yang tidak akan dapat disahkan selama beberapa dekad! Namun pengesahan di sini sangat luar biasa, kerana tidak ada teori lain yang mempunyai kaedah untuk menghasilkan turun naik ini, dan pemerhatiannya sesuai dengan apa yang diramalkan oleh inflasi dengan cara yang sempurna dan tidak dapat ditembusi kerana satelit seperti COBE, WMAP, dan terbaru, Planck, mengembalikan data mereka.

Fluktuasi kuantum yang berlaku semasa inflasi membentang di seluruh Alam Semesta, dan ketika inflasi berakhir, mereka menjadi turun naik kepadatan. Ini membawa, dari masa ke masa, ke struktur berskala besar di Alam Semesta hari ini, serta turun naik suhu yang diamati di CMB. (E. Siegel, dengan gambar yang berasal dari ESA / Planck dan pasukan petugas interagensi DoE / NASA / NSF pada penyelidikan CMB)

Hasilnya adalah kisah yang sangat menarik dan sesuai dengan data yang hampir tidak ada alternatif. Inflasi bukan hanya perkara yang berlaku untuk menubuhkan Big Bang atau menyelesaikan banyak masalah yang kita ketahui sebelumnya; ia membuat ramalan kuantitatif tentang apa yang dapat kita harapkan ada di Alam Semesta, dari awal hingga yang moden, dan pengamatan telah mengesahkannya. Inflasi, dan sifat kuantumnya, adalah sebab mengapa Alam Semesta tidak lancar hari ini, dan itu adalah perkara yang sangat baik. Tanpa itu, tidak mungkin kita wujud.

Bermula Dengan Bang kini ada di Forbes, dan diterbitkan semula di Medium terima kasih kepada penyokong Patreon kami. Ethan telah mengarang dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorder hingga Warp Drive.