Зірки та галактики, які ми бачимо сьогодні, не завжди існували, і чим далі ми йдемо, тим ближче до ідеально згладжує Всесвіт, але існує межа гладкості, яку вона могла б досягти, інакше у нас не було б жодної структура взагалі сьогодні. Щоб все це пояснити, нам потрібна модифікація Великого вибуху: космологічна інфляція. (NASA, ESA та A. Feild (STScI))

Чому наш Всесвіт не ідеально гладкий?

Якби це було, ми не були б тут. Але є наукова відповідь, яка була вражаюче підтверджена.

Коли ми вивчаємо наш Всесвіт, дивлячись на планети, зірки, галактики та величезні космічні порожнечі, що розділяють їх, "гладка" - це не саме перше слово, яке приходить нам на думку. Величезна космічна павутина - одна з найсміливіших речей, яку можна уявити у Всесвіті, планета на зразок Землі приблизно в 1030 разів щільніше середнього. Але всесвіт не завжди був таким незграбним, або він би не розвинувся таким, яким ми його бачимо сьогодні. Це повинно було народитися майже ідеально гладко, де недосконалості складали лише кілька частин на 100 000, або не знадобилося б сотні мільйонів років, щоб сформувати перші галактики. Та все ж ці крихітні недосконалості були життєво важливими, інакше ми б взагалі не створили структури, яку ми бачимо сьогодні! Через століття, не розуміючи, як це сталося, одна з найбільш суперечливих теорій космології, інфляція, дала відповідь. А тепер, коли наші вимірювання досягли безпрецедентної точності, його прогнози перевіряються вражаюче.

Візуальна історія розширюється Всесвіту включає гарячий, щільний стан, відомий як Великий вибух, і зростання та формування структури згодом. Однак для того, щоб отримати структуру, яку ми бачимо сьогодні, Всесвіт не могла народитися ідеально гладкою (NASA / CXC / M. Weiss)

Відповідно до космічної інфляції, гарячий Великий вибух був не самим початком простору та часу, а був лише гарячим, щільним, швидко розвивається раннім станом. Великий вибух створив космічну інфляцію, фазу, де у Всесвіті панувала не матерія та радіація, а енергія, властива самому космосу. Ця інфляційна фаза характеризувалася експоненціальним розширенням простору, коли Всесвіт з часом збільшувалась удвічі, потім вчетверо, потім зрісся (тощо). Вже через 10–33 секунди область, розмір теоретичної струни від теорії струн, була б розтягнута на масштаб, більший, ніж сьогодні спостерігається Всесвіт. Іншими словами, космічна інфляція приймає все, що існувало раніше, і розтягувала її справді, справді та ідеально рівномірно.

Інфляція змушує простір розширюватися експоненціально, що може дуже швидко призвести до того, що будь-який раніше зігнутий або негладкий простір виявиться плоским. Якщо Всесвіт взагалі має яку-небудь кривизну, то він має радіус кривизни в сотні разів більший, ніж ми можемо спостерігати. (Е. Зігель (L); навчальний посібник з космології Неда Райт (R))

Це, здається, на перший погляд становить величезну проблему. Якщо інфляція розтягує простір, щоб бути рівним, рівномірним і гладким, невідрізно від досконалості, то як ми сьогодні дійшли до незграбного Всесвіту? І теорії тяжіння Ньютона, і Ейнштейна нестабільні проти недосконалості, це означає, що якщо ви почнете з майже повністю, але не зовсім ідеально гладкого Всесвіту, з часом недосконалості будуть зростати, і ви будете звивати структуру. Але якщо ви почнете з ідеальної гладкості, з буквально відсутністю недосконалостей, ви залишаєтесь гладкими назавжди. Але це взагалі не поєднується зі Всесвітом, який ми спостерігаємо; воно мало народитися з недосконалостями в своїй щільності речовини.

Карта карти, що скупчується / кластеризує, що сьогодні представлені галактики у нашому Всесвіті. Вимога, щоб потрапити, - це початкові недосконалості в щільності речовини / енергії. (Грег Бекон / STScI / NASA Goddard Центр космічних польотів)

Отже, ця наївна картина інфляції повинна бути неповною. Має бути певний спосіб породження цих недосконалостей, інакше Всесвіт не існуватиме таким, яким ми його бачимо. Але важлива властивість Всесвіту та інфляція приходять на допомогу найефектнішими способами. Розумієте, порожній простір сам по собі не ідеально рівний і рівний, а навпаки, при найменших масштабах виявляє квантові коливання.

Візуалізація розрахунку квантової теорії поля, що показує віртуальні частинки у квантовому вакуумі. Навіть у порожньому просторі ця енергія вакууму не дорівнює нулю. (Дерек Лейнвебер)

Це можна розглядати по-різному: притаманна невизначеність самій енергії космосу; як коливання вакууму; або як набори пар частинка-античастинка, що випливають із-за існування. Але незалежно від того, як ви його бачите, залишається ясним одне: якби ви графікували щільність енергії Всесвіту і дивилися на це на надзвичайно малих і зернистих масштабах, ви побачили б, що вона не була рівномірною та постійною у просторі або час, навіть якщо ви вилучили з нього всю речовину та радіацію. Існують квантові коливання, притаманні самій тканині простору.

Ілюстрація раннього Всесвіту як складається з квантової піни, де квантові коливання великі, різноманітні та важливі на найменших масштабах. (NASA / CXC / M.Weiss)

Зазвичай ці коливання в середньому скасовують одне одного, і тому ви просто обмотаєтеся крихітною енергією нульової точки, позитивною властивою самому космосу. Але під час інфляції ці квантові коливання не мають можливості оцінити середнє значення, оскільки простір сам по собі розширюється з такою експоненціальною швидкістю!

Натомість те, що відбувається, полягає в тому, що ці коливання поширюються по всесвіту, і тому ідея про квантові коливання вже не обмежується в дуже малих масштабах. У часових масштабах, які є лише крихітною часткою секунди, ці квантові ефекти можуть бути розтягнуті, коли вони будуть коливаннями енергії на зоряній, галактичній або навіть Всесвітній масштабах!

Квантові коливання, що виникають під час інфляції, дійсно розтягуються у Всесвіті, але вони також спричиняють коливання загальної щільності енергії, залишаючи нам деяку ненульову кількість просторової кривизни, що залишилася у Всесвіті сьогодні. Ці коливання поля викликають недосконалість щільності в ранньому Всесвіті, що призводить до коливань температури, які ми відчуваємо на фоні космічного СВЧ. (Е. Зігель / Поза Галактикою)

У міру продовження інфляції створюються нові квантові коливання, що призводить до додаткових менших коливань, накладених на більш масштабні. Це триває і далі, створюючи схему коливань, і випадкові регіони всіх розмірів, які мають щільність енергії надмірної і недостатньої щільності, поки інфляція триває.

Потім, після невизначеної кількості часу, інфляція закінчується. І коли це відбувається, вся ця енергія, властива самому космосу, перетворюється на речовину, антиматерію та радіацію. Коли інфляція закінчується, починається гарячий Великий вибух, і Всесвіт заповнюється речами.

Аналогія кулі, що ковзає над високою поверхнею, коли інфляція зберігається, а структура, що руйнується і вивільняє енергію, являє собою перетворення енергії в частинки. (Е. Зігель)

Але в тих регіонах, які спочатку були перенапружені енергією, через ті квантові коливання під час інфляції в цих місцях з'явиться трохи більше речовини, антиматерії та радіації, ніж в середньому. У регіонах, які були недостатньо густими, там з'являться трохи менше середнього, антиматерія та радіація. І цей спектр надмірної щільності та недостатньої щільності повинен у результаті всесвітньої Всесвіту ставати все-таки дещо холоднішими та гарячішими, з точки зору температури.

Регіони простору, дещо щільніше середнього, створюватимуть більші гравітаційні потенціальні свердловини, з яких можна вилізти, тобто світло, що виникає з цих регіонів, стає холоднішим з часом, коли воно потрапляє на наші очі. І навпаки, нещільні регіони будуть виглядати як гарячі точки, тоді як регіони з ідеально середньою щільністю матимуть ідеально середні температури. (Е. Зігель / Поза Галактикою)

Після того, як Всесвіт деякий час існує навколо, розширюючись і охолоджуючись, гравітація приступає до роботи. Це збільшує коливання, які існували в будь-якому напрямку, в якому вони відходили від середнього. Трохи гарячіші регіони, будучи недостатніми, легше відмовляться від своїх питань у щільніших регіонах. Холодніші регіони, перенапружені, переважніше залучатимуть речовини більш ефективно, ніж регіони із низькою щільністю чи середньою щільністю.

Існує складний баланс між гравітацією, яка працює на те, щоб залучити все відповідно до вищезгаданої логіки, і випромінюванням, яке тисне на регіони, які занадто швидко стають занадто щільними. Саме ця взаємодія сил між гравітацією, випромінюванням та початковими коливаннями від інфляції породжує удари, хитання та недосконалості, які ми бачимо на фоні космічного мікрохвильового піску.

Коливання КМБ базуються на споконвічних коливаннях, викликаних інфляцією. Зокрема,

Початкові коливання, в середньому, повинні були мати середнє значення 1-частка-30 000 або близько того, таким чином ми доходимо до коливань, які ми спостерігаємо у світіння великого вибуху. Ці коливання потім наростають, після того як Всесвіт стає нейтральним і випромінювання перестає розсіюватися електронами, щоб створити масштабну структуру, яку ми бачимо у Всесвіті сьогодні. З часом це призводить до гравітаційного зростання в зірки, галактики, скупчення та великі космічні порожнечі, що розділяють їх.

Детальний огляд Всесвіту виявляє, що він складається з матерії, а не антиматерії, що потрібна темна речовина і темна енергія, і що ми не знаємо походження будь-якої з цих таємниць. Однак коливання КМБ, формування та кореляції між масштабною структурою та сучасними спостереженнями гравітаційного лінзування все вказують на одну і ту ж картину, що походить від космічної інфляції. (Кріс Блейк та Сем Мурфілд)

Якби Всесвіт народився ідеально гладким, не було б можливості отримати детальну структуру, як на великих масштабах, так і на малих, які ми маємо сьогодні. Наші спостереження вимагають, щоб якось коливання однакової величини існували на всіх масштабах, і щоб Всесвіт потребував зародження таким чином. Коли інфляція вперше була теоретизована в кінці 1970-х - початку 1980-х років, не було можливості дізнатися, як виявляться ці коливання; це було передбаченням того, що інфляція зробила це, що не перевірятиметься десятиліттями! Але підтвердження тут є вражаючим, оскільки жодна інша теорія не має способу генерувати ці коливання, і спостереження відповідали тому, що інфляція прогнозувалась ідеально, безперервно, оскільки супутники типу COBE, WMAP та останнім часом, Planck, повернули свої дані.

Квантові коливання, що виникають під час інфляції, розтягуються у Всесвіті, і коли інфляція закінчується, вони стають коливаннями щільності. Це призводить з часом до масштабної структури у Всесвіті сьогодні, а також до коливань температури, що спостерігаються в КМБ. (Е. Зігель, із зображеннями, отриманими з ESA / Planck та міжвідомчої робочої групи DoE / NASA / NSF для досліджень CMB)

У результаті виходить історія, настільки переконлива і згідна з даними, що альтернативи практично немає. Інфляція - це не просто те, що сталося, щоб створити Великий вибух або вирішити цілий ряд проблем, про які ми знали заздалегідь; він робив кількісні прогнози щодо того, що ми могли б очікувати існування у Всесвіті, починаючи з ранніх часів до сучасних, і спостереження це підтвердили. Інфляція та її квантова природа є причиною того, що Всесвіт сьогодні не ідеально гладка, і це дуже добре. Без цього нам ніколи не вдалося б існувати.

"Стартує з вибухом" зараз на Forbes, і перевидано на "Середній" завдяки нашим прихильникам Patreon. Етан є автором двох книг: «За межами Галактики» та «Трекнологія: Наука про Зоряний шлях від трикутників до варп-драйву».